На дворе двадцать первый век, семимильными шагами развиваются информационные технологии, люди общаются, используя видео связь, корпорации грозятся колонизировать другие планеты. Кажется, в развитии человечество шагнуло так далеко, что от базовых технологий не осталось и следа и ничто не вернёт прошлого назад.
Но, стоит выйти на улицу, посмотреть по сторонам и первое проезжающее транспортное средство обдаст выхлопом, чётко указывающим на двигатель внутреннего сгорания. Вот уже полтора века человечество не находит замену мотору, принцип работы которого разработан во времена, когда обыватель ничего не знал о лампе накаливания.
Сегодня, двигатель внутреннего сгорания установлен на большинстве техники. В ближайшем будущем тенденция останется неизменной, поскольку новые наработки по сумме показателей уступают базовому принципу.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Развитие технологии
Попыток создать силовой агрегат, который смог бы заменить установку, работающую за счет пара, в те времена предпринималось много. До сих пор учёные спорят о том, кто изобрёл двигатель внутреннего сгорания. Вариантов несколько, поскольку базовая точка зрения вынашивалась в головах учёных того времени.
В седьмом году девятнадцатого века механик из Франции Франсуа Исаак де Риваз сконструировал первый двигатель с применением поршней. Установка приводилась в действие за счет сжигания водорода, элементы поршневой группы и поджигание топлива свечой использовались при дальнейшей работе над мотором.
Франсуа Исаак де Риваз (1752 – 1828 года жизни):
Считается, что первый двигатель внутреннего сгорания изобрёл в шестидесятом году девятнадцатого века изобретатель французского происхождения Этьен Ленуар. Этот двухтактный газовый агрегат вырабатывал одиннадцать лошадей. Камера объёмного вытеснения в единственном экземпляре размещалась горизонтально, работала благодаря окислению кислорода и светильного газа, заряд поджигался за счёт электрического разряда. Главная особенность заключалась в применении механизма кривошипов и шатунов. Коэффициент полезного действия составлял 4,65%.
Этьен Ленуар (1822 – 1900 года) и его газовый двигатель, 1860 год:
Позже, в 1863 году изобретатель немецкого происхождения Николай Аугуст Отто, изучив двигатель Ленуара, разрабатывает и создаёт атмосферный агрегат на два такта с внутренним сгоранием жидкого горючего. Цилиндр агрегата располагался вертикально, зажигание происходило открытым способом, а полезное действие составляло 15%. В семьдесят шестом году девятнадцатого века Отто построил четырёхтактный двигатель на газу.
Николай Аугуст Отто (1832 – 1891 года) и его четырёхтактный двигатель, 1876 год:
Двигатель, работающий на горючей смеси лёгких углеводородов нефти со смесеобразованием при помощи карбюратора создан в 1885 году. Авторы, конструкторы немецкого происхождения, Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. Двигатель установлен в том же году на первом двухколёсном транспортном средстве, а годом позже, на первом агрегате с четырьмя колёсами.
Рудольф Дизель (1858 – 1913 года жизни):
Событием в автомобилестроении стала работа конструктора из Германии Рудольфа Дизеля. Поставив цель увеличить коэффициент полезного действия разработанных на тот момент двигателей, в девяносто седьмом году девятнадцатого века создатель придумал использовать сжатие для воспламенения рабочей смеси. Агрегаты, использующие аналогичный способ воспламенения ездят по улицам городов и сегодня.
Отличительная черта
Что бы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, разберёмся с главной особенностью агрегатов, которая делает их не такими, как остальные моторы. Дело в поджоге смеси горючего и воздуха. Что бы сделать процесс контролируемым, а выработанную энергию направить в правильное русло, сжигаемую субстанцию помещают внутрь камеры объёмного вытеснения, где происходит окисление. Окисление выделяет жар и отработку. Расширяясь в объёме, субстанция напирает на поршень. Через эту деталь и компоненты мощность температурного наращивания реорганизуется в работу силы.
Виды двигателей внутреннего сгорания
Агрегаты классифицируются по ряду отличительных признаков, которые напрямую влияют на устройство двигателя или принцип работы.
Параметры классификации:
- Способ образования смеси в двигателе:внешнее образование смеси (карбюратор, газовый двигатель);
- внутреннее образование.
Количество ходок поршня, прежде чем выполнится рабочий процесс двигателя:
- процесс работы за 4 хода;
- процесс работы за 2 хода.
Количество камер объёмного вытеснения в двигателе:
- 1 камера вытеснения;
- 2 камеры вытеснения;
- много камер вытеснения.
Размещение камер объёмного вытеснения в двигателе:
- в ряд, перпендикулярно горизонту, а так же под небольшим углом;
- угол между осями камер вытеснения составляет 90°;
- угол между осями камер вытеснения составляет 180°.
Отвод избыточной температуры в двигателе:
- посредством обдува воздушными массами;
- посредством обтекания потоком жидкости.
Питание двигателя горючим:
- бензин;
- солярка;
- газ;
- питаются несколькими видами горючего.
Отношение полного объёма камеры к объёму пространства сгорания:
- показатель равен 12-18 единиц (высокая степень);
- показатель равен 4-9 единицам (низкая степень).
Способ наполнения цилиндра двигателя:
- без наддува, атмосферные двигатели, подача разряжением;
- с использованием наддува, подача сжатием.
Угловая частота:
- низкая угловая частота;
- средняя угловая частота;
- высокая угловая частота.
Много других методов, по которым отфильтровывают силовые установки.
Действия в камере объёмного вытеснения разбиты на процессы:
- Такт, это передвижение поршня из одного крайнего положения в другое крайнее положение, обобщённо, движение детали в одну сторону.
- Цикл, это количество тактов, которое совершает агрегат, выполняя работу. Как правило, значение равно двум или четырём.
- Процесс работы: совершение действий над содержимым камеры объёмного вытеснения. Запускаем субстанцию, сжимаем, сжигаем, выпускаем.
Исполнение
Устройство двигателя автомобиля, в состав конструкции которого входят поршни, одинаково. Корпус силовой установки основа, в которой размещаются, крепятся и функционируют узлы, системы и механизмы агрегата.
Компоненты, или из чего состоит двигатель машины:
- Остов двигателя. Место размещения камер объёмного вытеснения агрегата, играющих роль направляющих поршня;
Блок цилиндров:
Кривошипы и шатуны, передаточное и преобразующее звено между поршнем и коленчатым валом;
Поршни, кривошипы, шатуны, коленчатый вал:
- Механизм распределения газов, отвечает за наполнение и очистку камер объёмного вытеснения, действия выполняются клапанами;
Механизм распределения газов:
Транспортировка горючего, вовремя доставляет нужную порцию топлива соответствующей консистенции;
Механизм подачи топлива:
- Поджог горючего, зажигает заряд в установленный промежуток времени;
Свеча зажигания:
- Ликвидация отработки, выводит сгоревшие продукты в окружающую среду.
Система выпуска отработанных газов:
Циклический процесс работы двигателя повторяет действия агрегата по «кругу». Частота повторения высокая, за счет чего вал вращается непрерывно и как следствие, автомобиль работает.
Двухтактные двигатели
Работа силовой установки на два такта следующая:
- Первый такт (процесс ввода и сдавливания горючего).Поршень из крайнего нижнего положения движется в крайнее верхнее положение, в этот момент в пространство сгорания вводится горючая субстанция. Движение вверх, сдавливает горючее, достигнув крайнего верхнего положения, субстанция поджигается электрической дугой, происходит моментальное расширение.
- Второй такт (процесс рабочего хода и вывода). Пары газа транспортируют поршень к крайнему нижнему положению. В этот момент происходит ликвидация отработки через открытый канал выпуска. Дойдя до крайнего нижнего положения, поршень начинает двигаться вверх, повторяя цикл. Таким образом, коленчатый вал движка на два такта за рабочий цикл совершает один оборот.
Учитывая то, что поршень совершает меньше перемещений для совершения полного цикла, потери на трение в моторе меньше, чес в аналогичном агрегате на четыре такта. Кроме того, поршень играет роль клапанного механизма, что упрощает конструкцию, исключая механизм распределения газов. Недостатки агрегата, хуже происходит смесеобразование и большие потери горючего.
Двухтактный мотор:
Четырехтактные двигатели
Главное отличие, устройство двигателя внутреннего сгорания на четыре такта, это процессы, разделенные при движении поршня в одну сторону.
Фазы работы мотора:
- Такт введения. Перемещение поршня от крайнего верхнего положения к крайнему нижнему положению. Благодаря этому, камера объёмного вытеснения мотора разряжается, впускное отверстие открывается и поступает рабочая субстанция.
- Такт сдавливания. Перемещение поршня от крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение. Клапана закрыты, горючая смесь сдавливается, давление и температур увеличиваются.
- Рабочий ход. Поршень находится в крайнем верхнем положении, выполняется возгорание горючей субстанции, из-за которого выделяется много тепла и энергии. Давя на поршень, газы перемещают деталь в крайнее нижнее положение, что соответствует совершению работы.
- Такт очистки.
Перемещение поршня в крайнее верхнее положение при открытом выпускном отверстии, отработка выводится из полости камеры объёмного вытеснения в атмосферу.
Четырёхтактный мотор:
Бензиновый двигатель
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, укомплектован механизмом воспламенения, который поджигает рабочую субстанцию в камере. Моторы такого типа используют смесеобразование за счет карбюратора, или применяют впрыск.
Карбюраторные двигатели изготавливают рабочую смесь в специальном устройстве, называемом карбюратор, после чего смесь воздуха и бензина попадает во впускной коллектор и далее в цилиндр. Из-за низкой топливной экономичности и большого количества вредных веществ в выхлопе мотора, карбюраторные двигатели устарели и в сегодня выпускаются в малых количествах.
Механизмы впрыска двигателя различаются: распределённые, один распылитель на каждый цилиндр у впускного клапана, или одна форсунка во впускном коллекторе. В некоторых конструкциях, форсунка встроена непосредственно в цилиндр. За счёт этого горючее подаётся непосредственно в камеру, горение происходит с большим эффектом, на бедной смеси. Токсичность и топливная экономичность таких агрегатов выше.
Бензиновый мотор:
Дизельный мотор
Конструктивно дизельный двигатель автомобиля отличается от того, как и из чего состоит бензиновый агрегат. Прежде, мотор такого типа использует тяжёлое топливо. Однако, главное отличие в отсутствии механизма зажигания агрегата. Возгорание поступившего горючего в установке происходит за счет давления.
Сначала мотор сжимает в цилиндре воздух, разогревая до высокой температуры. После достижения поршнем крайней верхней точки, в камеру впрыскивается порция топлива. Высокая температура воспламеняет смесь.
Отрицательный момент агрегата, вес, чувствительность к качеству топлива, меньшие скорости вращения. Вес обусловлен нагрузкой на детали и элементы конструкции.
Положительный момент топливная экономичность, повышенный коэффициент полезного действия и величина крутящего момента на заниженных оборотах.
Дизельный двигатель MTU 12V 2000 S96:
Роторный мотор
Устройство роторного двигателя представляет собой иной мотор. В агрегате отсутствуют поршни, место занимает ротор. Деталь вращается по специальной траектории, подвергаясь давлению газов. Конструктивно ротор выполняет функцию поршневой группы и функцию распределения газов.
Положительный аспект: ДВС компактный, мощный, быстро набирает обороты. Отрицательный аспект: ресурс установки ниже, чем у поршневых двигателей, а так же повышен расход топлива и выбросы вредных веществ.
Роторный мотор Mazda RX8:
Гибридный мотор
Гибридный двигатель, это симбиоз поршневого силового агрегата, работающего на бензине или дизеле, и электрического мотора. Кроме того, в схему включена батарея, питающая электромотор. В принцип работы гибрида заложена экономия горючего. В случае, когда работа происходит от электрического мотора, ДВС не используется. Двигатель подключается при разрядке батареи, или необходимости резкого ускорения автомобиля.
Газотурбинный мотор
В газотурбинном двигателе энергия от сгоревшего топлива поступает в виде потока газов на клиновидные лопатки ротора. Лопатки вращением увлекают за собой вал турбины, превращая тепловую энергию в механическую энергию.
Многочисленные попытки отказаться от двигателя внутреннего сгорания не увенчались успехом. Силовая установка еще будет состоять на службе у человечества. Какой бы хитроумный агрегат не пришёл на смену, он не составит конкуренции, пока не сравняется с ДВС в простоте, надёжности и долговечности.
Гибридный мотор Honda:
