Принцип работы и устройство двигателя
Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.
В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
- карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
- инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Схема устройства двигателя.
Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.
Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.
Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.
На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.
Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Принцип работы двигателя
Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:
- Впуск топлива;
- Сжатие топлива;
- Сгорание;
- Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.
Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Системы двигателя
Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:
- ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
- Система смазки;
- Система охлаждения;
- Система подачи топлива;
- Выхлопная система.
ГРМ — газораспределительный механизм
Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:
- Распределительный вал;
- Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
- Детали привода клапанов;
- Элементы привода ГРМ.
ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.
Система смазки
В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:
- Масляный картер (поддон);
- Насос подачи масла;
- Масляный фильтр с редукционным клапаном;
- Маслопроводы;
- Масляный щуп (индикатор уровня масла);
- Указатель давления в системе;
- Маслоналивная горловина.
Система охлаждения
Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:
- Рубашка охлаждения двигателя;
- Насос (помпа);
- Термостат;
- Радиатор;
- Вентилятор;
- Расширительный бачок.
Система подачи топлива
Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:
- Топливный бак;
- Датчик уровня топлива;
- Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
- Топливные трубопроводы;
- Впускной коллектор;
- Воздушные патрубки;
- Воздушный фильтр.
В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.
Выхлопная система
Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:
- Выпускной коллектор;
- Приемная труба глушителя;
- Резонатор;
- Глушитель;
- Выхлопная труба.
В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.
Бензиновый двигатель: устройство,принцип работы,виды ,фото,видео.
Бензиновый двигатель – особый вид поршневого ДВС (двигателя внутреннего сгорания), в котором воспламенение ТС (смеси топлива и воздуха) в цилиндрах осуществляется принудительно при помощи электрической искры, а в качестве топлива используется бензин.
Виды бензиновых двигателей
Современные бензиновые двигатели можно классифицировать по нескольким категориям.
- По количеству цилиндров – с одним цилиндром, двумя цилиндрами и несколькими цилиндрами.
- По расположению цилиндров:
- рядные двигатели (цилиндры расположены строго в ряд наклонным или вертикальным способом);
- V-образные двигатели (цилиндры расположены под углом);
- W-образные двигатели (цилиндры располагаются в четыре ряда под углом с коленвалом)
- оппозитные двигатели (цилиндры расположены под углом 180 градусов)
- По способу получения топливной смеси – инжекторные, карбюраторные.
- По типу смазки — раздельные (масло находится только в картере), смешанные (масло смешивается с топливом).
- По методу охлаждения — охлаждение жидкостью, охлаждение воздухом.
- По типу циклов – двухтактные, четырехтактные.
- По типу подачи воздушной смеси в цилиндры — с наддувом, без наддува.
Устройство бензо двигателя
Бензиновый двигатель относится к классу двигателей внутреннего сгорания, в которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь в цилиндрах поджигается при помощи искры. Управление мощностью в такого рода двигателях происходит посредством регулирования потока воздуха, попадающего в них, с помощью дроссельной заслонки.
Дроссельная заслонка (дроссель, дроссельный клапан) – это устройство, проходное сечение которого значительно меньше сечения подводящего трубопровода. Это устройство служит для регулирования количества подаваемого в камеру сгорания двигателя топливо-воздушной смеси.
Карбюраторная дроссельная заслонка является одним из видов дросселя: ее задача заключается в регулировании поступления горючей смеси в цилиндр двигателя (рис. 13).
Здесь рабочим органом является пластина, закрепленная на вращающейся оси, которая помещена в трубу, в которой протекает регулируемая среда. Этот механизм в просторечии принято именовать «газом».
Управление дросселем в автомобиле происходит с места водителя, при этом обычно предусматриваются два возможных способа привода: от руки рычажком или кнопкой (такой способ используется, например, в автомобилях для инвалидов) либо (что более распространено) с помощью педали, нажимаемой ногой водителя.
Рисунок 13. Дроссельная заслонка
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Существует определенная классификация бензиновых двигателей по различным параметрам.
✓ По способу смесеобразования. Существуют двигатели с внешним смесеобразованием, в которых данный процесс происходит вне цилиндра, и двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых процесс происходит соответственно внутри цилиндра – это двигатели с непосредственным впрыском.
✓ По способу осуществления рабочего цикла выделяют двигатели четырехтактные и двухтактные. И у тех, и у других существуют свои преимущества и недостатки. Так, например, двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объема по сравнению с четырехтактными, однако коэффициент полезного действия (КПД) у них ниже. Двухтактные двигатели используются в основном там, где на первом месте стоит проблема малого размера двигателя, а не эффективность и высокая мощность – в мотоциклах, небольших автомобилях и т. д. Четырехтактные двигатели более распространены и используются в абсолютном большинстве транспортных средств.
✓ По числу цилиндров бывают одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые двигатели.
✓ По расположению цилиндров выделяют двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (так называемые «рядные» двигатели); V-образные с расположением цилиндров под углом (если они расположены под углом 180°, то это двигатель с противолежащими цилиндрами – оппозитный двигатель).
✓ По типу охлаждения существуют двигатели воздушного (в основном устаревшие модели) и жидкостного охлаждения.
✓ По типу смазки существуют раздельный (когда масло находится в картере) и смешанный (когда масло смешивается с топливом) типы.
✓ По способу приготовления рабочей смеси. По этому параметру выделяются карбюраторные и инжекторные двигатели.
В настоящее время последние постепенно вытесняют первые.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Как уже следует из самого названия, рабочий цикл четырехтактного двигателя основывается на четырех этапах – тактах.
Первым из этих этапов является впуск. Он характеризуется тем, что в течение этого такта происходит опускание поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ).
Впуск происходит за счет того, что кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который в цилиндр засасывается свежая порция воздушно-топливной смеси (рис. 14).
Рисунок 14. Принцип работы четырехтактного двигателя
Вторым тактом является сжатие. На этом этапе поршень, наоборот, проходит путь из НМТ в ВМТ; при этом рабочая смесь, полученная на первом этапе, сжимается. В этот момент происходит резкое повышение температуры рабочей жидкости. Главнейшим параметром на данном этапе является степень сжатия. Важность его определяется тем, что, чем выше степень сжатия, тем выше экономичность двигателя. Стоит однако подчеркнуть, что для двигателя с большой степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, а оно всегда стоит дороже.
На третьем этапе во время рабочего хода поршня происходит сгорание топлива и расширение рабочей смеси.
Под степенью сжатия понимается отношение рабочего объема двигателя в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ.
С помощью искры от свечи зажигания поджигается топливовоздушная смесь, причем это происходит незадолго до конца цикла сжатия. В процессе прохождения поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает. Под воздействием тепла, выработанного при сгорании топлива, рабочая смесь расширяется и толкает поршень. Здесь одним из важнейших параметров является угол опережения зажигания, под которым понимается степень недоворота коленчатого вала до ВМТ в момент поджигания смеси. Дело в том, что давление газов должно достигнуть максимальной величины именно в тот момент, когда поршень находится в ВМТ, для чего и необходимо опережение зажигания.
Для регулировки угла опережения в современных двигателях используется электроника, в то время как в старых образцах это происходит с помощью механики.
В целом все это приводит к поставленной задаче – максимально эффективному использованию сгоревшего топлива. А учитывая то обстоятельство, что сгорание топлива занимает практически фиксированное время, то для повышения эффективности двигателя необходимо увеличить угол опережения зажигания при повышении оборотов.
Выпуск – четвертый такт. Работа на данном этапе происходит следующим образом: после выхода рабочего цикла из НМТ открывается выпускной клапан, в этот момент движущийся вверх поршень выталкивает отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл повторяется снова.
Однако стоит иметь в виду, что для начала следующего процесса (например, впуска) не обязательно должен быть полностью завершен предшествующий процесс (например, выпуск).
Подобное положение, когда открытыми оказываются одновременно оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Более того, такое положение бывает специально предусмотрено и может служить для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью и лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.
К преимуществам четырехтактного двигателя можно отнести следующие характеристики: большой ресурс, большая (по сравнению с другими двигателями) экономичность, более чистый выхлоп, меньший шум, к тому же не требуется выхлопная система.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В отличие от четырехтактного двигателя рабочий цикл двухтактного происходит в течение одного оборота коленчатого вала.
Из четырех тактов предыдущего двигателя в данном случае присутствуют только два – сжатие и расширение. Два других цикла – впуск и выпуск – заменены в таком двигателе процессом продувки цилиндра вблизи НМТ поршня. В этот момент свежая струя рабочей смеси вытесняет отработанные газы из цилиндра.
Если остановиться на этом подробнее, то рабочий цикл двухтактного двигателя выглядит следующим образом.
В то время когда поршень двигается вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно с этим поршень, движущийся вверх, создает разрежение в кривошипной камере (рис. 15).
Рисунок 15. Двухтактный двигатель: 1 – выпускной клапан; 2 – форсунка; 3 – продувочный насос; 4 – продувочные (впускные) окна
Под воздействием создаваемого разрежения клапан впускного коллектора открывается и свежая порция топливовоздушной смеси (обычно с добавлением масла) засасывается в кривошипную камеру.
В ходе движения поршня вниз повышается давление в кривошипной камере и клапан закрывается. Сам же процесс сгорания и расширения рабочей смеси происходит точно так же, как и в четырехтактном двигателе. Однако в момент движения поршня вниз открывается так называемое впускное окно (т. е. поршень перестает перекрывать его). Через это окно выхлопные газы, все еще находящиеся под большим давлением, устремляются в выпускной коллектор. Через некоторое время таким же образом поршень открывает впускное окно, которое расположено со стороны впускного коллек тора.
В это время свежая смесь выталкивается из кривошипной камеры идущим вниз поршнем и попадает в рабочую камеру двигателя, где окончательно вытесняет отработанные газы. Часть рабочей смеси при этом выбрасывается в выпускной коллектор. Во время движения поршня вверх часть свежей смеси, которая была вытолкнута из выпускного коллектора, засасывается обратно в кривошипную камеру.
При одинаковом объеме цилиндра двухтактный двигатель должен иметь почти в два раза большую мощность, чем четырехтактный. Однако это потенциальное преимущество далеко не всегда возможно полностью реализовать. Прежде всего это затрудняется недостаточной эффективностью продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Но все-таки при одинаковом литраже двухтактный двигатель мощнее в 1,5 или 1,8 раза.
Неотъемлемое преимущество двухтактного двигателя перед четырехтактным заключается в его компактных габаритах из-за отсутствия громоздкой системы клапанов и распределительного вала. К преимуществам двухтактного двигателя можно также отнести отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения, большую мощность в пересчете на 1 л рабочего объема, простоту и дешевизну изготовления.
Преимущества и недостатки бензинового и дизельного двигателя
Если судить о преимуществах и недостатках бензинового и дизельного двигателя, то можно сразу сказать, что каждый из этих видов имеет свои плюсы и минусы, по которым нельзя назвать один двигатель лучше другого. И поэтому выбор одного из варианта двигателя зависит от конкретных потребностей и предпочтений автолюбителя. Итак, рассмотрим отдельно основные плюсы и минусы каждого из двигателей: К основным плюсам бензинового двигателя относительно дизельного можно отнести более удобную эксплуатацию – не требует перехода на зимнее топливо, более низкий уровень шума, большую экологичность, а так же большую удельную мощность объема, то есть достижение большей мощности при малых объемах двигателя.
Рассуждая о плюсах дизельного двигателя можно выделить его экономичность, которая достигается за счет более низкой цены на дизель, относительно бензина и более низкого потребления топлива. Нельзя не отметить, что к плюсам двигателя этого вида можно отнести более высокий крутящий момент, чем у бензинового двигателя, что очень полезно для грузовых автомобилей. А так же меньшую пожароопасность, благодаря тому, что дизельное топливо подвержено меньшей способности к возгоранию.
Карбюраторные и инжекторные двигатели.
Приготовление горючей смеси в карбюраторных двигателях происходит в специальном устройстве – карбюраторе, в котором осуществляется процесс смешивания топлива с потоком воздуха, за счет искусственной конвекции, создаваемой аэродинамическими силами потока воздуха, засасываемого двигателем.
В инжекторных двигателях процесс смесеобразования организован иначе. Топливо впрыскивается в воздушный поток, через специальные форсунки. Дозируется подача топлива электронным блоком управления, или (в более старых автомобилях) механической системой.
Первые инжекторные двигатели появились в 1997 году. Их внедрению способствовала корпорация OMC, которая выпустила двигатель, сконструированный с использованием технологии FICHT. Ключевым фактором этой технологии было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо сразу в камеру сгорания. Это революционное решение, в купе с использованием современного бортового компьютера, сделало возможным точное дозирование топлива, при перемещении поршня. В полость коленчатого вала впрыскивается чистое масло, без примесей топлива. Благодаря новой технологии конструкторам удалось изобрести двухтактный двигатель, который не уступал по экономичности карбюраторному четырехтактному двигателю, а также был компактным и легким.
Из-за новых стандартов на чистоту выхлопа, автомобильным производителям пришлось перейти от классических карбюраторных двигателей к инжекторным, а также установить современные нейтрализаторы выхлопных газов. Для функционирования катализатора необходим постоянный состав выхлопного газа, который поддерживается системой впрыска топлива. Обязательной составляющей катализатора является датчик содержания кислорода, благодаря которому отслеживается точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива и оксидов азота, которые сможет нейтрализовать катализатор.
Бензиновый двигатель: устройство, принцип действия, достоинства и недостатки
Чтобы автомобиль смог самостоятельно передвигаться, он должен быть оснащен силовым агрегатом, который будет генерировать крутящий момент и передавать эту силу на ведущие колеса. Для этой цели создатели механических средств разработали ДВС или двигатель внутреннего сгорания.
Принцип работы агрегата заключается в том, что в его конструкции происходит сгорание смеси топлива и воздуха. Мотор создан так, чтобы задействовать высвобождающуюся в этом процессе энергию для вращения колес.
Под капотом современного автомобиля может устанавливаться бензиновый, дизельный или электрический силовой агрегат. В данном обзоре мы сосредоточимся на бензиновой модификации: по какому принципу работает агрегат, какое у него устройство и некоторые практические рекомендации, как продлить ресурс ДВС.
Что такое бензиновый двигатель автомобиля
Вначале разберемся с терминологией. Бензиновый мотор это поршневой силовой агрегат, который работает за счет сгорания смеси воздуха и бензина в специально отведенных для этого полостях. В автомобиль может заливаться топливо с разным октановым числом (А92, А95, А98 и т.д.). Более подробно о том, что такое октановое число, рассказывается в другой статье. Там же рассказывается, почему для разных моторов может полагаться разная марка топлива, даже если это бензин.
В зависимости от того, какую цель преследует автопроизводитель, сходящий с конвейера транспорт может оснащаться разными типами силовых агрегатов. В списке причин и маркетинг компании (каждая новая машина должна получать какое-то обновление, и покупатели часто обращают внимание на тип силового агрегата), а также потребности основной аудитории.
Так, с завода автомобильного бренда может выходить одна и та же модель машины, но с разными бензиновыми движками. Например, это может быть экономичная версия, на которую чаще обращают внимание покупатели со скромным достатком. Или же производитель может предлагать более динамичные модификации, которые удовлетворяют запросы любителей быстрой езды.
Также некоторые автомобили должны быть способны перевозить приличные грузы, как например пикапы (в чем особенность этого типа кузова, читайте отдельно). Для этих автомобилей тоже полагается другой тип мотора. Обычно такая машина будет иметь внушительный рабочий объем агрегата (о том, как рассчитывается этот параметр, есть отдельный обзор).
Итак, бензиновые моторы дают возможность автобрендам создавать модели машин с разными техническими характеристиками, чтобы адаптировать их для разных потребностей, начиная от небольших ситикаров, и заканчивая габаритными грузовиками.
Виды бензиновых двигателей
В рекламных проспектах на новые модели автомобилей указывается много разных данных. Среди них описывается тип силового агрегата. Если в первых автомобилях достаточно было указать тип используемого топлива (дизель или бензин), то на сегодняшний день одних бензиновых модификаций существует большое разнообразие.
Вот несколько категорий, по которым классифицируются такие силовые агрегаты:
- Число цилиндров. В классическом исполнении машина оснащается мотором с четырьмя цилиндрами. Более производительные, а вместе с тем и более прожорливые, имеют 6, 8 или даже 18 цилиндров. Однако существуют и агрегаты с небольшим количеством котелков. Например, Toyota Aygo оснащается 1.0-литровым бензиновым ДВС на 3 цилиндра. Подобный агрегат получил и Peugeot 107. Некоторые малолитражки могут оснащаться даже двухцилиндровым бензиновым агрегатом.
- Строение блока цилиндров. В классическом исполнении (4-цилиндровая модификация) мотор имеет рядное расположение цилиндров. В основном они установлены вертикально, но иногда встречаются и наклоненные аналоги. Следующая конструкция, завоевавшая доверие у многих автомобилистов, это агрегат с V-образным расположением цилиндров. В такой модификации всегда парное количество котелков, которые расположены под определенным углом друг относительно друга. Часто такую конструкцию используют для экономии места в подкапотном пространстве, особенно если это габаритный мотор (например, насчитывает 8 цилиндров, но места занимает, как 4-цилиндровый аналог). Некоторые производители устанавливают в свои автомобили W-образный силовой агрегат. Эта модификация отличается от V-образного аналога дополнительным развалом блока цилиндров, который в разрезе имеет форму буквы W. Еще одна разновидность моторов, которые используются в современных автомобилях, это оппозитник или боксер. Подробно о том, как устроен такой движок и как он работает, рассказывается в другом обзоре. Пример моделей с подобным агрегатом – Subaru Forester, Subaru WRX, Porsche Cayman и т.д.
- Система подачи топлива. По этому критерию моторы делятся на две категории: карбюраторные и инжекторные. В первом случае бензин закачивается в топливную камеру механизма, из которой через жиклер всасывается во впускной коллектор. Инжектор это система, которая принудительным образом распыляет бензин в полость, в которой установлена форсунка. Подробно работа этого устройства описывается здесь. Инжекторы бывают нескольких видов, которые отличаются особенностями расположения форсунок. В более дорогих автомобилях распылители устанавливаются непосредственно в головке блока цилиндров.
- Вид смазочной системы. Каждый ДВС работает в условиях повышенных нагрузок, из-за чего он нуждается в качественной смазке. Существует модификация с мокрым (классический вид, в котором масло находится в поддоне) или сухим (для хранения масла установлен отдельный резервуар) картером. Подробно об этих разновидностях рассказывается отдельно.
- Тип охлаждения. Большинство современных моторов для автомобилей имеет водяное охлаждение. В классическом исполнении такая система будет состоять из радиатора, патрубков и охлаждающей рубашки вокруг блока цилиндров. Действие этой системы описано здесь. Некоторые модификации силовых агрегатов, работающих на бензине, могут иметь и воздушное охлаждение.
- Тип циклов. Всего существует две модификации: двухтактного или четырехтактного типа. Принцип действия двухтактной модификации описан в другой статье. Немного позже рассмотрим, как работает 4-тактная модель.
- Тип поступления воздуха. Во впускной тракт воздух для приготовления воздушно-топливной смеси может поступать двумя способами. Большинство классических моделей ДВС имеют атмосферный тип впускной системы. В нем воздух поступает за счет разрежения, которое создает поршень, двигаясь к нижней мертвой точке. В зависимости от системы впрыска в этот поток распыляется порция бензина либо перед впускным клапаном, либо немного раньше, но в тракте, соответствующем конкретному цилиндру. В моновпрыске подобно карбюраторной модификации на впускном коллекторе устанавливается одна форсунка, а ВТС затем всасывается конкретным цилиндром. Подробно о работе системы впуска рассказывается здесь. В более дорогих агрегатах бензин может распыляться непосредственно в самом цилиндре. Помимо атмосферного мотора существует также турбированная версия. В ней воздух для приготовления ВТС нагнетается при помощи специальной турбины. Она может работать за счет движения выхлопных газов или при помощи электрического мотора.
Что касается особенностей конструкции, то история знает несколько экзотических силовых агрегатов. Среди них двигатель Ванкеля и бесклапанная модель. Подробно о нескольких рабочих моделях моторов с необычной конструкцией рассказывается здесь.
Принцип работы бензинового двигателя
Подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания, которые используются в современных автомобилях, работают по четырехтактному циклу. Он основан на том же принципе, что и любой другой ДВС. Чтобы агрегат смог сгенерировать количество энергии, необходимое для вращения колес, каждый цилиндр должен циклично заполняться смесью воздуха и бензина. Эта порция должна сжиматься, после чего она воспламеняется при помощи искры, которую генерирует свеча зажигания.
Чтобы высвобождающаяся при сгорании энергия преобразовывалась в механическую энергиию, ВТС должна сжигаться в замкнутом пространстве. Основной элемент, который снимает высвободившуюся энергию, это поршень. Он подвижный в цилиндре, и закреплен на кривошипно-шатунном механизме коленчатого вала.
Когда воздушно-топливная смесь загорается, она провоцирует расширение газов в цилиндре. За счет этого на поршень оказывается большое давление, превышающее атмосферное, и он начинает движение к нижней мертвой точке, проворачивая коленвал. На этом валу закреплен маховик, к которому подсоединяется коробка передач. От нее крутящий момент передается на ведущие колеса (передние, задние или в случае полноприводного авто – все 4).
За один цикл мотора в отдельном цилиндре выполняется 4 такта. Вот в чем заключается их действие.
Впуск
В начале этого такта поршень находится в верхней мертвой точке (камера над ним в этот момент пустая). За счет работы соседних цилиндров коленвал проворачивается и тянет шатун, который перемещает поршень вниз. В этот момент газораспределительный механизм открывает впускной клапан (их может быть один или два).
Через открытое отверстие цилиндр начинает заполняться свежей порцией воздушно-топливной смеси. В этом случае воздух смешивается с бензином во впускном тракте (карбюраторный мотор или модель с распределенным впрыском). Эта часть двигателя может иметь разную конструкцию. Также существуют варианты, которые меняют свою геометрию, что позволяет повышать КПД двигателя на разных оборотах. Подробно об этой системе рассказывается здесь.
В модификациях с непосредственным впрыском в цилиндр на такте впуска поступает только воздух. Бензин распыляется, когда в цилиндре будет завершаться такт сжатия.
Когда поршень окажется в самом низу цилиндра, газораспределительный механизм закрывает впускной клапан. Начинается следующий такт.
Сжатие
Далее коленчатый вал проворачивается (так же под действием поршней, работающих в соседних цилиндрах), и через шатун начинает поднимать поршень. Все клапаны в головке блока цилиндров закрыты. Топливной смеси некуда деваться, и она сжимается.
В процессе движения поршня к ВМТ воздушно-топливная смесь нагревается (повышение температуры провоцирует сильное сжатие, которое также называется компрессией). Сила сжатия порции ВТС влияет на динамические характеристики. У разных моторов компрессия может отличаться. Дополнительно предлагаем ознакомиться с тем, в чем отличие степени сжатия и компрессии.
Когда поршень достигает крайней точки вверху, свеча создает разряд, из-за которого топливная смесь загорается. В зависимости от оборотов двигателя этот процесс может начинаться раньше, чем поршень полностью поднимется, непосредственно в этот момент или немного позже.
В бензиновом моторе с непосредственным впрыском сжимается только воздух. В этом случае топливо распыляется в цилиндр перед тем, как поршень поднимется. После этого создается разряд и бензин начинает сгорать. Далее начинается третий такт.
Рабочий ход
Когда ВТС зажигается, в надпоршневом пространстве происходит расширение продуктов горения. В этот момент помимо силы инерции на поршень начинает действовать давление расширяющихся газов, и он снова движется вниз. В отличие от такта впуска механическая энергия передается уже не от коленвала к поршню, а наоборот – поршень толкает шатун и благодаря этому проворачивает коленчатый вал.
Часть этой энергии используется для выполнения других тактов в соседних цилиндрах. Остальная часть крутящего момента снимается коробкой передач и передает его на ведущие колеса.
Во время выполнения такта рабочего хода все клапаны закрыты, чтобы расширяющиеся газы воздействовали исключительно на поршень. Этот такт заканчивается, когда движущийся в цилиндре элемент дойдет до нижней мертвой точки. Далее начинается последний такт цикла.
Выпуск
За счет проворачивания коленвала поршень снова перемещается вверх. В этот момент открывается выпускной клапан (один или два в зависимости от типа ГРМ). Отработанные газы нужно удалить.
По мере перемещения поршня кверху выхлопные газы выдавливаются в выпускной тракт. Дополнительно о его функции рассказывается здесь. Такт завершается при верхнем положении поршня. На этом цикл мотора завершается, и начинается новый с такта впуска.
Не всегда завершение такта сопровождается полным закрытием конкретного клапана. Бывает так, что впускные и выпускные клапаны некоторое время остаются открытыми. Это необходимо для повышения эффективности проветривания и наполнения цилиндров.
Итак, прямолинейное движение поршня за счет особенности конструкции коленчатого вала преобразуется во вращение. На этом принципе основаны все классические поршневые моторы.
Если дизельный агрегат работает только от дизтоплива, то бензиновый вариант может работать не только от бензина, но и от газа (пропан-бутан). Подробней о том, как будет работать такая установка, рассказано здесь.
Основные элементы бензинового двигателя
Чтобы все такты в двигателе выполнялись своевременно и с максимальной отдачей, силовой агрегат должен состоять только из качественных деталей. В устройство всех поршневых ДВС входят следующие детали.
Блок цилиндров
По сути, это корпус бензинового мотора, в котором сделаны каналы охлаждающей рубашки, места для крепления шпилек и сами цилиндры. Существуют модификации с отдельно устанавливаемыми цилиндрами.
В основном эту деталь изготавливают из чугуна, но ради экономии веса некоторых моделей авто производители могут изготавливать алюминиевые блоки. По сравнению с классическим аналогом они более хрупкие.
Поршень
Эта деталь, входящая в состав цилиндропоршневой группы, принимает на себя воздействие расширяющихся газов и обеспечивает нажим на кривошип коленчатого вала. Когда выполняется такт впуска, сжатия и выпуска, эта деталь создает разрежение в цилиндре, сжимает смесь бензина и воздуха, а также удаляет из полости продукты горения.
Строение, разновидности и принцип действия этого элемента подробно описаны в другом обзоре. Если коротко, то со стороны клапанов он может быть ровным или с выемками. С внешней стороны он соединяется при помощи стального пальца к шатуну.
Чтобы при толчке выхлопных газов при выполнении рабочего хода они не просачивались в подпоршневое пространство, эта деталь оснащается несколькими уплотнительными кольцами. Об их функции и конструкции есть отдельная статья.
Шатун
Эта деталь соединяет поршень с кривошипом коленвала. Конструкция этого элемента зависит от типа двигателя. Например, у V-образного мотора два шатуна каждой пары цилиндров закреплены на одной шатунной шейке коленвала.
В основном для изготовления этой детали используется высокопрочная сталь, но иногда встречаются и алюминиевые аналоги.
Коленчатый вал
Это вал, который состоит из кривошипов. К ним подсоединяются шатуны. У коленвала есть минимум два коренных подшипника и противовесы, которые компенсируют вибрации для равномерного вращения оси вала и гашения силы инерции. Более подробно об устройстве данной детали рассказывается отдельно.
С одной стороны на нем установлен шкив привода ГРМ. С противоположной стороны к коленвалу прикреплен маховик. Благодаря этому элементу возможен запуск мотора при помощи стартера.
Клапаны
В верхней части двигателя в головке блока цилиндров устанавливаются клапаны. Эти элементы обеспечивают открывание/закрывание впускных и выпускных отверстий для выполнения нужного такта.
В большинстве случаев эти детали подпружинены. Они приводятся в движение распределительным валом ГРМ. Этот вал при помощи ременной или цепной передачи синхронизирован с коленчатым валом.
Свеча зажигания
Многим автомобилистам известно, что дизельный мотор работает за счет нагрева сжатого в цилиндре воздуха. Когда в эту среду впрыскивается солярка, воздушно-топливная смесь тут же воспламеняется от температуры воздуха. С бензиновым агрегатом дело обстоит иначе. Чтобы смесь загорелась, ей необходима электрическая искра.
Если в бензиновом ДВС повысить компрессию до значения, приближенного к аналогичному показателю в дизеле, то, имея более высокое октановое число, бензин при сильном нагреве может загореться раньше, чем необходимо. Это приведет к поломке агрегата.
Свеча работает от системы зажигания. В зависимости от модели автомобиля эта система может иметь разное устройство. Подробно о разновидностях рассказывается здесь.
Вспомогательные рабочие системы бензинового двигателя
Ни один двигатель внутреннего сгорания не способен работать самостоятельно без вспомогательных систем. Чтобы мотор машины вообще завелся, он должен синхронизироваться с такими системами:
- Топливная. Она обеспечивает подачу бензина по магистрали к форсункам (если это инжекторный агрегат) или в карбюратор. Эта система участвует в приготовлении ВТС. В современных машинах состав воздушно-топливной смеси регулируется электроникой.
- Зажигание. Это электрическая часть, снабжающая мотор стабильной искрой для каждого цилиндра. Существует три основных типа этих систем: контактного, бесконтактного и микропроцессорного типа. Все они определяют момент, когда нужна искра, генерируют высокое напряжение и распределяют подачу импульса на соответствующую свечу. Ни одна из этих систем не будет работать, если неисправен датчик положения коленвала.
- Смазывающая и охлаждающая. Чтобы детали мотора выдерживали большие нагрузки (постоянная механическая нагрузка и воздействие очень высоких температур, в некоторых отделах она поднимается до более 1000 градусов), им нужна качественная и постоянная смазка, а также охлаждение. Это две разные системы, но смазка в моторе тоже позволяет в некоторой степени отводить тепло от сильно нагретых деталей, например, от поршней.
- Выхлопная. Чтобы машина с работающим мотором не пугала окружающих оглушительным звуком, она получает качественную выхлопную систему. Помимо тихой работы машины эта система обеспечивает нейтрализацию вредных веществ, содержащихся в выхлопе (для этого в машине должен присутствовать каталитический нейтрализатор).
- Газораспределительная. Это часть мотора (ГРМ находится в головке блока цилиндров). Распределительный вал поочередно открывает впускные/выпускные клапаны, благодаря чему цилиндры вовремя выполняют соответствующий такт.
Это основные системы, благодаря которым агрегат может работать. Помимо них силовой агрегат может получить и другие механизмы, повышающие его эффективность. Примером тому служит фазовращатель. Этот механизм позволяет снимать максимум КПД на любых оборотах мотора. Он регулирует высоту и время открытия клапанов, что влияет на динамичность машины. Подробно принцип работы и разновидности таких механизмов рассматриваются отдельно.
Как сохранить работоспособность бензинового двигателя при многолетней эксплуатации?
Каждый автовладелец задумывается над тем, как продлить рабочий ресурс силового агрегата своего авто. Прежде чем рассмотрим, что он может сделать для этого, стоит учесть самый важный фактор, влияющий на исправность мотора. Это качество сборки и технология, которой пользуется автопроизводитель, изготавливая тот или иной силовой агрегат.
Вот основные действия, которые должен выполнять каждый автомобилист:
- Проводить ТО своего автомобиля в соответствии с регламентом, который установил производитель;
- Заливать в бак только качественный бензин, и соответствующий типу мотора;
- Использовать моторное масло, предназначенное для конкретного ДВС;
- Не использовать агрессивный стиль вождения, часто доводя мотор до максимальных оборотов;
- Проводить профилактику поломок, например, регулировку клапанных зазоров. Один из самых важных элементов мотора является его ремень. Даже если визуально кажется, что он еще в хорошем состоянии, необходимо все равно его заменить, как только настанет для этого время, указанное производителем. Подробно об этом элементе рассказывается отдельно.
Так как мотор является одним из самых ключевых агрегатов авто, каждый автомобилист должен прислушиваться к его работе и быть внимательным даже к незначительным изменениям в его функционировании. Вот что может указать на неисправности силового агрегата:
- В процессе работы появились посторонние звуки или усилились вибрации;
- ДВС потерял динамичность и отдачу на нажатие педали газа;
- Повышение прожорливости (большой расход бензина может быть связан с необходимостью прогревать мотор зимой или при смене стиля езды);
- Уровень масла стабильно понижается, и смазку нужно постоянно доливать;
- Охлаждающая жидкость стала куда-то деваться, но под машиной нет луж, а бачок при этом плотно закрыт;
- Синий дым из выхлопной трубы;
- Плавающие обороты – сами поднимаются и падают или водителю нужно постоянно подгазовывать, чтобы мотор не заглох (в этом случае может быть неисправна система зажигания);
- Плохо запускается или вообще не хочет заводиться.
У каждого мотора свои тонкости работы, поэтому автомобилисту нужно ознакомиться со всеми нюансами работы и обслуживания агрегата. Если некоторые детали или даже механизмы в машине автомобилист может заменить/отремонтировать самостоятельно, ремонт агрегата лучше доверить специалисту.
Преимущества и недостатки универсальных бензиновых двигателей
Если сравнивать дизельный агрегат и бензиновый, то к достоинствам второго относятся:
- Высокая динамичность;
- Стабильная работа при низких температурах;
- Нешумная работа с небольшими вибрациями (если агрегат правильно настроен);
- Относительно недорогое обслуживание (если не идет речь об эксклюзивных моторах, например, боксерах или с системой EcoBoost);
- Большой рабочий ресурс;
- Нет необходимости использовать сезонное топливо;
- Более чистый выхлоп за счет меньшего содержания примесей в бензине;
- При одинаковых с дизелем объемах у данного типа ДВС больше мощности.
Учитывая высокую динамичность и мощность бензиновых агрегатов, большинство спортивных автомобилей оснащаются именно такими силовыми установками.
Что касается обслуживания, то у данных модификаций тоже есть свое преимущество. Расходники на них стоят дешевле, а само ТО не нужно проводить так часто. Причина в том, что детали бензомотора подвергаются меньшей нагрузке, чем аналоги, используемые в дизелях.
Хотя водитель должен быть внимателен к тому, на какой заправке он заправляет свой автомобиль, бензиновый вариант не такой требовательный к качеству топлива по сравнению с дизелем. В худшем случае, что может произойти, это быстро засорятся форсунки.
Несмотря на эти достоинства, у данных моторов есть некоторые минусы, из-за чего много автолюбителей отдают предпочтение дизелю. Вот некоторые из них:
- Несмотря на преимущество в мощности, у агрегата с идентичным объемом будет меньший крутящий момент. Для грузового коммерческого транспорта это важный параметр.
- Дизель с аналогичным литражом будет расходовать меньше топлива, чем данный вид агрегата.
- Что касается температурного режима, то в пробках бензиновый агрегат может перегреться.
- Бензин легче загорается от посторонних источников тепла. Поэтому машина с таким двс более пожароопасная.
Чтобы легче было выбрать, с каким агрегатом должна быть машина, будущий автовладелец должен вначале определиться с тем, что он хочет от своего железного коня. Если упор делается на выносливость, большой крутящий момент и экономность, то явно нужно выбирать дизель. Но ради динамичной езды и более дешевого обслуживания стоит обратить внимание на бензиновый аналог. Конечно, параметр бюджетного обслуживания это понятие растяжимое, потому что это напрямую зависит от класса мотора и тех систем, которые в нем используются.
В завершение обзора предлагаем посмотреть небольшое видеосравнение бензиновых и дизельных моторов:
Источник https://wikers.ru/articles/ustrojstvo-dvigatelya.html
Источник https://seite1.ru/zapchasti/benzinovyj-dvigatel-ustrojstvoprincip-rabotyvidy-fotovideo/.html
Источник https://avtotachki.com/chto-takoe-benzinovyj-dvigatel-avtomobilya/
