Технические изобретения существенно облегчили жизнь человечества и вывели ее на абсолютно новый качественный уровень. Особенно заметный скачок произошел после того, как был изобретен двигатель. Изначально это был паровой механизм, положивший начало настоящей технической и промышленной революции на планете. Но почти двести лет назад ему на замену начали приходить двигатели внутреннего сгорания, использующиеся сейчас практически во всех транспортных средствах. Что же такое ДВС? Каково устройство двигателя внутреннего сгорания? Каков принцип работы ДВС? Об и многом другом речь пойдет ниже.
Просто о сложном: разбираемся в терминологии
Современные семьи зачастую имеют не одно, а два-три авто. И девушки за рулем уже давно не редкость. Вот только большинство молодых водителей даже не понимают, как расшифровать аббревиатуру ДВС и не знают, что это такое. А ведь механизмы с подобным принципом работы стоят не только в легковых автомобилях, но и в:
- мототранспорте; сельскохозяйственной технике; водном транспорте; самолетах; военной технике; газонокосилках и это далеко не полный список.
Практически все привычные ТС, которые передвигаются по земле и летают над ней, основываются на том, как работает двигатель внутреннего сгорания. А значит вопросы его устройства не должны быть тайной даже для начинающих автолюбителей.
Итак, ДВС. Что это же такое важное он делает в машине? На самом деле все просто. Двигатель внутреннего сгорания или, как его часто называют сокращенно, ДВС – это приспособление, которое преобразует химическую и тепловую энергию в механическую работу. За счет этого он приводит в действие взаимосвязанные механизмы, придавая им движущую силу.
Двигатель, нужно отметить, это тот же мотор. В обиходе механизм часто называют вторым словом. По сути противоречий в этом нет. Но все же специалисты предпочитают использовать термин «ДВС» в работе с авто. Этого правила строго придерживаются конструкторы и инженеры.
Мотор – не просто рядовой агрегат в общем списке механизмов, это настоящее «сердце» машины. Если с ним непорядок, то и техника будет сбоить. В результате и вовсе выйдет из строя. Поэтому относиться к нему нужно бережно и с пониманием принципов работы ДВС.
Если сделать небольшой отсыл к истории, то можно сказать, что современный двигатель в самолетах и машинах является уже более усовершенствованной моделью своего «прадеда». Первоначальные паровые механизмы имели дополнительные камеры, в которых и происходило возгорание топлива. Они были достаточно:
- громоздкие; неудобные в эксплуатации; сложные в обслуживании.
Двигатели внутреннего сгорания стали следующим этапом развития, так как топливо воспламеняется внутри механизма в специальных камерах. За счет этого они:
- надежны; неприхотливы; экономичны.
А также не требуют регулярного ТО.
Итак, что такое мотор? Обобщая все написанное выше, стоит сказать, что это – главный механизм технического средства, придающий ему движущую силу.
Принцип работы ДВС: основные моменты
Даже понимая, что же такое ДВС и какую роль он выполняет в автомобиле, не обойтись без чисто технических знаний. Если объяснять простыми словами, то принцип работы ДВС основан на эффекте расширения газов и образования в результате этого процесса мощного выброса тепловой энергии:
- смесь топлива и воздуха в нужных пропорциях поступает в камеру; сжимается; воспламеняется; энергия преобразовывается в движущую силу.
Если говорить еще проще о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, то стоит отметить следующее:
- при воспламенении любая смесь увеличивается в объемах; в ограниченном пространстве она активно давит на стены камеры; при наличии одной подвижной стенки большая часть давления уходит на нее; любая присоединенная к этому элементу деталь приводится в движение.
В общих чертах принцип работы ДВС таков. В реальности все выглядит немного сложнее. Но общая последовательность операций сохраняется.
Об эволюции моторов и не только
Зная, что же такое ДВС в ТС, можно немного углубиться в изучение вопроса. И тут окажется, что современный мотор имеет несколько разновидностей со своими нюансами и особенностями:
- роторно-поршневые; газотурбинные; поршневые.
О каждом стоит рассказать немного подробнее.
Роторно-поршневые
Что это такое в машине? И по какому принципу работает? В таком варианте ротор помещается в специальный отсек и выполняет при движении сразу несколько задач, выступая в роли:
- коленчатого вала; ГРМ; поршня.
Работа двигателя внутреннего сгорания этого типа базируется на расширении газов. Именно они и приводят в движение ротор.
Газотурбинные
Принцип работы ДВС тоже довольно прост:
- на ротор насажены специальные лопатки клиновидной формы; тепловая энергия заставляет его двигаться; за счет этого в движение приходит вал турбины; энергия преобразуется в механическую работу.
Используются подобные модели довольно редко.
Поршневые
Это самый распространенный и оправдавший надежды конструкторов вариант. Если вкратце описывать, как работает двигатель внутреннего сгорания, то нужно обязательно отметить следующие нюансы:
- камера сгорания помещается внутрь цилиндра; кривошипно-шатунный механизм сдвигается за счет тепловой энергии; в свою очередь он распределяет механические усилия на коленчатый вал.
Виды двигателей поршневого типа разнообразны:
- карбюраторные; инжекторные; дизельные.
Принцип работы ДВС карбюраторного типа основывается на формировании горючего состава в карбюраторе. Уже оттуда он поступает в цилиндры, где и происходят стандартные процессы.
Инжекторные двигатели автомобиля считаются довольно сложными. Важная часть процессов происходит под контролем электроники:
- залив горючего в коллектор; прохождение через форсунки; возгорание.
Дизельные двигатели внутреннего сгорания наиболее просты. Возгорание смеси осуществляется без дополнительного поджига. За него «работает» давление. Ввод топлива происходит напрямую через форсунки в строго дозированном количестве.
Принцип работы ДВС, описанных выше, схож между собой. Но более востребованы — поршневые. Среди всех их плюсов специалисты особенно выделяют низкие затраты при неизменно высокой производительности. Поэтому они были взяты на «вооружение» автомобильной промышленностью.
Далее речь пойдет об устройстве двигателя внутреннего сгорания поршневого типа. Как самый распространенный, он вызывает набольший интерес у автолюбителей и других категорий владельцев различных технических устройств.
Строение стандартного двигателя
Разбираясь в принципах работы ДВС и других вопросах, стоит учесть, что выпускающиеся на заводах агрегаты имеют несколько:
- типов; конструкций.
Это приводит к тому, что элементы двигателя автомобиля могут довольно сильно различаться между собой. Но при этом основные детали, блоки и узлы остаются идентичными. Поэтому конструктивные особенности не влияют на то, как работает двигатель внутреннего сгорания.
Итак, какова же схема двигателя? Требуется сказать, что корпус объединяет массу элементов в единый и слажено функционирующий «организм». Двигатели внутреннего сгорания состоят из перечисленных ниже узлов:
- цилиндры; КШМ (криво-шатунный механизм); ГРМ.
Отдельно в устройстве стандартного ДВС выделяют сложные системы, отвечающие за слаженное и бесперебойное функционирование агрегата:
- питания – подготавливает смесь к подаче в цилиндры; смазки – подает смазочные материалы на необходимые узлы и элементы; зажигания – устанавливается только на бензиновых моделях и необходима для воспламенения смеси; охлаждения – поддерживает оптимальную температуру; электросистема – источник энергии агрегата; выхлопа – отводит продукты горения.
Каждый блок выполняет в строении движка свои задачи. Так как принцип работы ДВС основывается на воспламенении смеси, то цилиндры называют основным элементом всей системы, куда и поступает бензиново-воздушный состав.
В схеме двигателя КШМ выполняет роль основного трансформатора тепловой энергии в движущуюся силу, распределяющую ее на коленчатый вал.
Газораспределительный механизм (ГРМ) контролирует распахивание и закрытие следующих клапанов:
- запуска горючего, смешанного с воздухом; выхода отработанных газов.
Благодаря ему, гарантируется синхронность системы.
Исходя из того, как работает двигатель внутреннего сгорания, конструкторы совершенствуют модели, применяя различную комплектность цилиндров. В первых механизмах он был один. Позже начались эксперименты по усилению мощности:
- увеличение диаметра цилиндра; увеличение количества цилиндров.
Новые модернизированные двигатели внутреннего сгорания могут иметь до 12 цилиндров с разным расположением. Наиболее популярны расстановки:
- в ряд – наиболее простой и понятный агрегат; V-образный – более популярный.
В автомобилях чаще всего используют V-образные модели. Они выделяются:
- компактностью; производительностью; надежностью.
Расположение под углом конструкторы используют при установке 6 цилиндров и более.
Также встречается и следующая компоновка цилиндров:
- VR-образная – ставятся в два ряда с небольшим наклоном; W-образная – крепятся на один коленвал в 3-4 ряда под углом; U-образная – параллельная установка на два коленвала; оппозитная – цилиндры располагаются в одной горизонтали под углом 180 градусов друг к другу; встречная – поршни движутся на встречу друг другу; радиальная – размещение по кругу.
Последний способ применяется в авиастроении. Остальные используют автомобильные концерны.
Несколько слов о тактности
Как работает двигатель внутреннего сгорания? Циклично. Одни и те же действия проходят с повторениями до нескольких сотен раз в 60 с. Благодаря этому, все элементы вращаются беспрерывно.
Исходя из этого принципа работы, ДВС делятся на:
- 2-тактные; 4-тактные.
Чтобы понять разницу между ними, требуется сделать небольшое отступление и объяснить два важных термина – «такт» и «цикл». Под тактом принято принимать рабочий процесс, осуществляющийся за фрикцию поршня. Цикл же как раз и состоит из тактов, которые четко следуют друг за другом.
Первоначально практически все двигатели внутреннего сгорания были двухтактными. В них цикл состоит из:
- 2 движений поршня; одного оборота коленвала.
Такие агрегаты имели низкую производительность при неизменно высоком потреблении топлива. С течением времени им на замену пришли четырехтактные модели, в которых цикл немного иной:
- две фрикции поршня; 2 витка коленвала.
Эти механизмы получили широкое распространение и ставятся на 90% машин.
Все о 2-тактных моделях
Принцип работы ДВС этого типа можно подробно описать в следующем списке:
- запуск движка заставляет поворачиваться коленчатый вал; он вовлекает в перемещения поршень; при достижении нижней позиции вливается бензиново-воздушный состав; на ходу вверх создается давление; в верхней позиции свеча вызывает искру и воспламеняет содержимое камеры; расширение сдвигает поршень вниз; на нижней границе раскрывается клапан, выпускающий отработку.
За этот период коленвал делает одно вращение и все повторяется заново.
При такой схеме двигатель совершает небольшое количество движений, благодаря чему снижается износ узлов. Но при этом он серьезно греется, а потери газа существенно снижают мощность. Поэтому на производстве он ставится на технику небольшой мощности.
Функционирование 4-тактных агрегатов
Основываясь на том, как работает двигатель внутреннего сгорания двухтактного типа, отметим, что 4-тактный механизм во многом похож на него. Но здесь есть свои особенности – раскрытие и захлопывание клапанов никак не связано с остальными процессами. Каждый такт рассчитан на одну фрикцию поршня в ту или иную стороны.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания выглядит следующим образом:
- впуск – при опускании поршня до нижней границы раскрывается впускной клапан, параллельно повышается давление и температура; сжатие – движение вверх вызывает плотное закрытие клапанов с последующим сжатием при одновременном изменении температурного режима в сторону плавного увеличения; расширение – искра и горение приводят к резкому увеличению объема смеси, за счет чего поршень начинает опускаться вниз; выпуск – стремление к верхней границе сопровождается открытием выпускного клапана, избавляющего камеру от отработанных газов.
Таким образом функционируют все бензиновые моторы. Если сравнивать их с тем, как работает двигатель внутреннего сгорания на дизеле, то различие будет одно – для возгорания не требуются свечи. В таких моделях важно четко дозировать поступление солярки. При бесперебойном впрыскивании в определенном объеме агрегат будет работать слаженно и четко.
Плюсы и минусы
Двигатели внутреннего сгорания имеют немало достоинств:
- удобство и простота использования; доступность топлива; быстрая заправка; долговечность; сохранение работоспособности даже после нескольких ТО.
К тому же для многих автовладельцев звук мотора является лучшей музыкой. Зная это, производители настраивают их особым образом.
Но и минусы у агрегатов существуют:
- более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электрическими моделями; сложность системы.
Современные модели уже невозможно починить и обслуживать самостоятельно в гараже. Но чем сложнее конструкция, тем больше слабых мест в ней остается. А значит ТО придется проходить все чаще и чаще.
Требует упоминания и экологический аспект. Многие европейские города задыхаются от бензинового смога и не видят солнечного света. Поэтому требования к экологической безопасности регулярно ужесточаются.
Двигатели внутреннего сгорания с течением времени не теряют своих позиций. Несмотря на то, что инженеры и изобретатели бьются над созданием принципиально новых моторов, этот вопрос до сих пор не решен. А значит в ближайшие годы человечество будет пользоваться все теми же привычными, надежными и удобными агрегатами.
История изобретения ДВС
Итак, в связи с тем, что первым двигателем внутреннего сгорания была пушка, необходимо было бы узнать имя изобретателя, но оно, к сожалению, потерялось в веках. Известно, только,что в Европе пушка появилась в 14-м веке, а в восточных странах еще в 13-м.
Христиан Гюйгенс (портрет слева) в начале 17-го века предложил внутрь цилиндра с поршнем насыпать немного пороха. Если этот порох поджечь, то поршень поднимется вверх и шток прикрепленный к поршеню может совершить некоторую работу. Затем аппарат необходимо было разобрать, засыпать новую порцию пороха и продолжить. Шток останавливался в верхнем положении при помощи специального фиксатора.
Конечно, на это сейчас мы смотрим с удивлением, но для 17-го века это был прорыв.
В 1690 году (конец 17-го века) Дени Папен (портрет справа) усовершенствовал эту конструкцию предложив вместо пороха залить на дно цилиндра воду. Если нагреть цилиндр вода испарится превратившись в пар и этот пар совершит работу подняв поршень. Затем поршень можно остудить пар внутри превратится в воду и процесс можно повторить.
Через 15 лет, в 1705 году английский кузнец Томас Ньюкомен предложил машину для откачки воды из шахт. Его аппарат состоял из котла, который производил пар. Пар подавался в цилиндр и там совершал работу. Для быстрого охлаждения цилиндра он применил форсунку, которая впрыскивала холодную воду в этот цилиндр, тем самым охлаждая его. Конечно, периодически приходилось скопившуюся в цилиндре воду выливать, но машина его работала эффективно. Назвать такую машину двигателем внутреннего сгорания сложно, ведь нагрев воды происходит вне цилиндра, но такова история. Весь 18-й век посвящен изобретению конструкций работающих на использовании энергии пара.
Только в 1801 году французский изобретатель Филип Лебон придумал подавать в цилиндр светильный газ в смеси с воздухом и поджигать его там. Он даже получил патент на этот газовый двигатель. Но в связи с тем, что Лебон рано умер (в 1804 году в возрасте 35 лет), довести свое детище до практической модели не успел.
Этьен Ленуар (француз с бельгийскими корнями), придумывал различные механические конструкции, работая на гальваническом заводе. Именно он считается изобретателем первого работающего двигателя внутреннего сгорания.
Доработав идею Лебона, в 1860 году он взял за основу двухходовой поршень, который совершал работу двигаясь как вправо, так и влево. А смесь светильного газа и воздуха он поджигал в отдельной камере при помощи электрической искры. Направляя продукты сгорания (в зависимости от положения поршня) либо в правую, либо в левую полость, как пар у паровоза.
Как видим это опять не совсем похож на современный двигатель в нашем его понимании, но прародитель его это уж точно. Выпустив более 300 таких двигателей, он разбогател и перестал заниматься изобретательством. Изобретенный Августом Николаусом Отто двигатель вытеснил с рынка двигатели Ленуара. Именно Отто предложил и построил четырехтактный двигатель. КПД его двигателя достигал 15%, это почти в 3 раза выше чем у двигателей Ленуара. Кстати сказать современные бензиновые двигатели имеют КПД не выше 36%, это все чего мы достигли за 150 лет работы над двигателями внутреннего сгорания. На этом четырехтактном цикле работают сейчас большинство двигателей.
Только после изобретения двигателей работающих на жидком топливе (керосине и бензине), их вполне уже можно было устанавливать на повозки, что и сделал Карл Бенс в 1886 году.
В компании у Отто работали Готлиб Даймлер (слева) и Вильгельм Майбах ( на фото слева). И хотя предприятие работало прибыльно (двигателей Отто было продано более 42 тысяч штук), применение светильного газа резко сужало сферу применения. Даймлер и Майбах впоследствии организовали производство автомобилей постоянно их совершенствуя. Их имена знают практически все. Ведь именно они придумали автомобиль «Мерседес». Сын Вильгельма Майбаха – Карл (на фото справа), занимался авиационными двигателями, а затем и выпуском знаменитых автомобилей «Майбах».
В 1893 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель работающий на отходах производства бензина – солярке.В его двигателе смесь не нужно было воспламенять, она загоралась сама от высокой температуры в цилиндре. Но и смесь воздуха с топливом готовилась несколько по-другому. В его двигателе топливо (солярка) подавалась в цилиндр в конце цикла сжатия специальным насосом. Это было революционным прорывом. Многие современные бензиновые двигатели используют этот метод образования воздушно-топливной смеси. Дизельный же двигатель не претерпел особых изменений.
