С момента изобретения первого мотора, работающего за счет горения топливной смеси прошло уже больше ста пятидесяти лет. Человечество продвинулось в техническом прогрессе, однако заменить двигатель внутреннего сгорания так и не удаётся. Этот тип силовой установки используется как привод на технике. За счет мотора работают мопеды, автомобили, трактора, и другие самоходные агрегаты.
За время эксплуатации, изобретено и применено к использованию больше десяти видов и типов моторов. Однако, принцип работы не поменялся. В сравнении с паровым агрегатом, который предшествовал установке, двигатель, преобразующий тепловую энергию сгорания в механическую работу, экономичней с большим коэффициентом полезного действия. Эти свойства, залог успеха мотора, который полтора века остаётся востребованным и пользуется популярностью.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания в разрезе
Особенность работы
Особенность, делающая мотор не похожим на другие установки, заключается в том, что работа двигателя внутреннего сгорания сопровождается воспламенением топливной смеси непосредственно в камере. Само пространство, где происходит горение, внутри установки, это легло в основу названия классификации моторов. В процессе сложной экзотермической реакции, когда исходная рабочая смесь превращается в продукты сгорания с выделением тепла, выполняется преобразование в механическую работу. Работа за счет теплового расширения, движущая сила, без которой было бы не возможно существование установки. Принцип завязан на давлении, газов в пространстве цилиндра.
Виды моторов
В процессе технического прогресса разрабатывались и испытывались виды агрегатов, в которых горючее сжигалось во внутреннем пространстве, не все доказали свою целесообразность. Выделены распространенные типы двигателей внутреннего сгорания:
Поршневая установка.
Составная часть агрегата выполнена в виде блока с вмонтированными внутрь цилиндрическими полостями. Часть цилиндра служит для сжигания горючего. Посредством поршня, кривошипа и шатуна происходит трансформация энергии горения в энергию вращения вала. В зависимости от того, как готовится горючая смесь, агрегаты делят:
- Карбюраторные. В таких установках, горючее готовится за счет карбюрации. Атмосферный воздух и топливо транспортируются в механизм в пропорции, после чего смешивается внутри установки. Готовая смесь подается в камеру и сжигается;
- Инжектор. В установку рабочая смесь подаётся при помощи распылителя. Впрыск осуществляется в коллектор и контролируется электроникой. По коллектору горючее поступает в камеру, где поджигается свечой;
- Дизель. Принцип коренным образом отличается от предыдущих оппонентов. Процесс протекает за счёт давления. В объём через распылитель впрыскивается порция топлива (солярка), температура воздуха выше температуры горения, горючее воспламеняется.
Поршневой мотор:
- Роторно-поршневой мотор. Преобразование энергии расширения газов в механическую работу происходит за счет оборотов ротора. Ротор представляет собой деталь специального профиля, на которую давят газы, заставляя совершать вращательные движения. Траектория движения ротора по камере объёмного вытеснения сложная, образована эпитрохоидой. Ротор выполняет функции: поршня, распределителя газов, вала.
Роторно-поршневой мотор:
- Газотурбинные моторы. Процесс выполняется за счёт преобразования тепла в работу. Непосредственное участие принимают лопатки ротора. Вращение деталей от потока газов передаётся на турбину.
Сегодня, поршневые моторы окончательно вытеснили остальные типы установок и заняли доминирующее положение в автомобильной отрасли. Процентное соотношение роторно-поршневых моторов мало, поскольку производством занимается только Mazda. К тому же выпуск установок ведётся в ограниченном количестве. Газотурбинные агрегаты так же не прижились, поскольку имели ряд недостатков для гражданского использования, основной, это повышенный расход топлива.
Классификация двигателей внутреннего сгорания так же возможна и по потребляемому горючему. Моторы используют: бензин, дизель, газ, комбинированное топливо.
Газотурбинный мотор:
Устройство
Несмотря на разнообразие установок, виды двигателей внутреннего сгорания компонуются из нескольких узлов. Совокупность компонентов размещается в корпусе агрегата. Чёткая и слаженная работа каждой составной части в отдельности, в совокупности представляет мотор единым неделимым организмом.
- Блок мотора.Блок цилиндров объёдиняет в себе полости цилиндрической формы, внутри которых происходит воспламенение, и сгорание топливовоздушной смеси. Горения приводит к тепловому расширению газов, а цилиндры мотора служат направляющей, не дающей тепловому потоку выйти за пределы нужных рамок;
Блок цилиндров мотора:
- Механизм кривошипов и шатунов мотора.Совокупность рычагов, посредством которых на коленчатый вал передается сила, заставляющая совершать вращательные движения;
Кривошипно-шатунный механизм мотора:
- Распределитель газа мотора.Приводит в движение клапана впуска и выпуска, способствует процессу газообмена. Выводит отработку из полости агрегата, наполняет её нужной порцией с целью продолжить работу механизма;
Газораспределительный механизм мотора:
- Подвод горючего в моторе.Служит для приготовления порции горючего в нужной пропорции с воздухом, передаёт эту порцию в полость посредством распыления или самотёком;
Карбюратор:
- Система воспламенения в моторе.Механизм поджигает поступившую порцию в полости камеры. Выполняется посредством свечи зажигания или свечи накаливания.
Свеча зажигания:
- Система вывода отработанных продуктов из мотора.Механизм предназначен для эффективного удаления сгоревших продуктов и излишков тепла.
Приёмная труба:
Запуск силовой установки внутреннего сгорания сопровождается подачей горючего в агрегат, в полости камеры объёмного вытеснения субстанция сгорает. Процесс сопровождается выделением тепла и увеличением объёма, что провоцирует перемещение поршня. Перемещаясь, деталь преобразует механическую работу в кручение коленчатого механизма.
По завершению действие повторяется снова, таким образом, не прерываясь ни на минуту. Процессы, в течении которых совершается работа установки:
- Такт.Перемещение поршня из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение и в обратном порядке. Такт считается одним перемещением в одну сторону.
- Цикл.Суммарное количество тактов, необходимое при совершении работы. Конструктивно, агрегаты в состоянии выполнять цикл за 2 (один оборот вала) или 4 (два оборота) такта.
- Рабочий процесс.Действие, подразумевающее: впуск смеси, сдавливание, окисление, рабочий ход, удаление. Рабочий процесс характерен как для двухтактных моторов, так и для четырёхтактных двигателей.
Двухтактный мотор
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве рабочего процесса два такта прост. Отличительная особенность мотора, выполнение двух тактов: сдавливание и рабочий ход. Такты впуска и очистки интегрированы в сдавливание и рабочий ход, поэтому вал проворачивается на 360° за рабочий процесс.
Выполняемый порядок таков:
- Сдавливание.Поршень из крайнего нижнего положения уходит в крайнее верхнее положение. Перемещение создает разряжение под поршнем, благодаря чему через продувочные отверстия просачивается горючее. Дальнейшее перемещение провоцирует перекрытие отверстия впуска юбкой поршня и отверстий выпуска, выводящих отработку. Замкнутое пространство способствует росту напряжения. В крайней верхней точке заряд поджигается.
- Расширение.Горение создает давление внутри камеры, заставляя посредством расширения газов перемещаться поршень в низ. Происходит поочередное открытие выпускных и продувочных окон. Напряжение в области днища провоцирует поступление горючего в цилиндрическую полость, одновременно очищая её от отработки.
Устройство агрегата на два такта исключает механизм распределяющий газы, что сказывается на качестве процесса обмена. Кроме того, невозможно исключить продувку, а это сильно увеличивает расход топлива, поскольку часть смеси выбрасывается наружу с отработанными газами.
Принцип работы двухтактного мотора:
Четырёхтактный мотор
Моторами, которые выполняют 4 такта работы двигателя внутреннего сгорания за рабочий процесс, оснащена используемая сегодня техника. В этих моторах, ввод и вывод горючего и отработки, выполняются отдельными тактами. Двигатели используют механизм распределения газов, что синхронизирует клапана и вал. Преимущество мотора на четыре такта, подача горючего в очищенную от отработанных газов камеру при закрытых клапанах, что исключает утечку топлива.
Порядок таков:
- Ввод.Перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Происходит разряжение в полости, что открывает клапана впуска. Горючее заходит в камеру объёмного вытеснения.
- Сдавливание.Перемещение поршня снизу вверх (крайние положения). Отверстия входа и выхода перекрыты, что способствует нарастанию давления в камере объёмного вытеснения.
- Рабочий ход.Смесь загорается, выделяется тепло, резкое увеличение объёма и рост силы, давящей на поршень. Движение последнего в крайнее нижнее положение.
- Очистка.Отверстия выпуска открыты, поршень перемещается снизу вверх. Избавление от отработки, очистка полости перед следующей порцией рабочей смеси.
Механический КПД двигателя внутреннего сгорания, с циклом на 4 такта ниже, в сравнении с агрегатом на 2 такта. Это обусловлено сложным устройством и наличием механизма распределения газов, который забирает часть энергии на себя.
Принцип работы четырёхтактного мотора:
Механизм искрообразования
Цель механизма, своевременное искрение в полости цилиндра мотора. Искра помогает воспламениться горючему и совершить агрегату рабочий ход. Механизм искрообразования, составная часть электрического оборудования автомобиля, куда входят:
- Источник хранения электрической энергии, аккумулятор. Источник, вырабатывающий электрическую энергию, генератор.
- Механическое или электрическое устройство, подающее электрическое напряжение в сеть автомобиля, его еще называют зажигание.
- Накопитель и преобразователь электрической энергии, трансформатор, или катушка. Механизм обеспечивает достаточный заряд на свечах мотора.
- Механизм распределения зажигания, или трамблёр. Устройство предназначено для распределения и своевременной подачи в нужный цилиндр электрического импульса на свечи зажигания.
Система зажигания:
Механизм впуска
Цель механизма, бесперебойное образование в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания автомобиля, нужного количества воздуха. Впоследствии, воздух смешивается с топливом, и всё это воспламеняется для рабочего процесса. Устаревшие, карбюраторные моторы для впуска использовали элемент для фильтрации воздуха и воздуховод. Современные установки укомплектованы:
- Механизм забора воздуха мотором.Деталь выполнена в виде патрубка, определённого профиля. Задача конструкции, подать в цилиндр как можно больше воздуха создав при этом меньшее сопротивление на входе. Всасывание воздушной массы происходит за счет разницы давлений при движении поршня в положение нижней мёртвой точки.
- Воздушный фильтрующий элемент мотора.Деталь применяется для очистки воздуха, попадающего в мотор. Работа элемента влияет на ресурс и работоспособность силовой установки. Фильтр относится к расходным материалам, и меняется через промежуток времени.
- Заслонка дросселя мотора.Перепускной механизм, находящийся во впускном коллекторе и регулирующий количество подаваемого в мотор воздуха. Деталь работает за счёт электроники, или механическим путём.
- Коллектор впуска мотора.Предназначение механизма, распределить количество воздуха равномерно по цилиндрам мотора. Процесс регулируется заслонками впуска и усилителями потока.
Система впуска:
Механизм питания
Назначение, бесперебойная подача горючего для последующего смешивания с воздухом и приготовлением гомогенной стехиометрической смеси. Механизм питания включает:
- Бак мотора.Ёмкость замкнутого типа, в которой хранится топливо (бензин, солярка). Бак оборудован устройством забора горючего (помпа) и устройством, заправляющим ёмкость (заливная горловина).
- Топливная проводка мотора.Патрубки, шланги, по которым транспортируется или перенаправляется топливо.
- Механизм, смешивающий горючее в моторе.Изначально силовые установки оборудовались карбюратором, в современных двигателях применяют инжектор. Задача, подать приготовленную смесь внутрь камеры сгорания.
- Блок управления.Назначение механизма, управлять смесеобразованием и впрыском. В установках, оборудованных инжектором, устройство синхронизирует работу для увеличения эффективности процесса.
- Помпа мотора.Устройство, создающее напряжение в топливном проводе мотора и способствующее движению горючей жидкости.
- Элемент фильтрации.Механизм очищает поступающее топливо от примесей и грязи, что увеличивает ресурс силовой установки.
Механизм питания:
Механизм смазки
Назначение механизма, обеспечить детали силовой установки необходимым количеством масла для создания на поверхностях защитной плёнки. Применение жидкости уменьшает воздействие силы трения в точках соприкосновения деталей, удаляет продукты износа, защищает агрегат от коррозии, уплотняет узлы и механизмы. Система смазки состоит:
- Поддон мотора.Ёмкость, в которой помещается, хранится и охлаждается смазочная жидкость. Для нормального функционирования мотора важно соблюдать требуемый уровень масла, поэтому поддоны укомплектованы щупом, для контроля.
- Масляная помпа мотора.Механизм, перекачивающий жидкость из поддона двигателя и направляющий масло к точкам, нуждающимся в смазке. Движение масла происходит по магистралям.
- Масляный фильтрующий элемент.Назначение детали, очистить масло от примесей и продуктов износа, которые циркулируют в моторе. Элемент меняют при каждой замене масла, поскольку работа влияет на износ механизма.
- Охладитель масла мотора.Назначение механизма, отбор излишков тепла, из системы смазки. Поскольку масло, отводит тепло от перегретых поверхностей, то само масло так же подвержено перегреву. Характерная особенность механизма смазки, обязательное использование, не зависимо, от того, какова модель двигателя внутреннего сгорания применяется. Происходит это по той причине, что на сегодня эффективней этого метода защиты мотора нет.
Система смазки:
Механизм выпуска
Механизм предназначен для отвода отработанных газов и уменьшения шума в процессе работы двигателя. Состоит из следующих компонентов:
- Коллектор выпуска мотора.Набор патрубков, выполненных из жаропрочного материала, поскольку они первыми соприкасаются с раскалёнными газами, выходящими из камеры сгорания. Коллектор гасит колебания и переправляет газы далее в трубу;
- Труба мотора.Приёмная труба предназначена для получения газов и транспортировки далее по системе. Материал, из которого выполнена деталь, обладает высокой стойкостью к температурам.
- Резонатор.Устройство, позволяющее разделить газы и снизить их скорость.
- Катализатор.Устройство очистки и нейтрализации газов.
- Глушитель мотора.Резервуар с вмонтированными перегородками, благодаря перенаправлению отработанных газов, позволяет снизить шум.
Система выпуска мотора:
Механизм охлаждения
На маломощных двигателях внутреннего сгорания применяется охлаждение мотора встречным потоком. Современные агрегаты, автомобильные, судовые, грузовые используют жидкостное охлаждение. Задача жидкости, забрать на себя часть избыточного тепла и снизить тепловую нагрузку на узлы и механизмы агрегата. Механизм охлаждения включает:
- Радиатор мотора.Задача устройства передать избыточное тепло от жидкости окружающей среде. Деталь включает в себя набор алюминиевых трубок с отводящими ребрами;
- Вентилятор мотора.Задача вентилятора, увеличить эффект от охлаждения за счёт принудительного обдува радиатора и отвода с его поверхности излишков тепла.
- Помпа мотора.Задача водяной помпы обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости по системе. Циркуляция проходит по малому кругу (пока двигатель не разогрет), после чего, клапан переключает движение жидкости на большой круг.
- Перепускной клапан мотора.Задача механизма, обеспечить переключение циркуляции жидкости с малого круга обращения на большой круг.
Система охлаждения мотора:
Несмотря на многочисленные попытки уйти от двигателя внутреннего сгорания, в ближайшем обозрим будущем, такой возможности не предвидится. Поэтому силовые установки данного типа еще долго будут радовать нас своей слаженной работой.