Двигатели внутреннего сгорания

Блок цилиндров

Теперь о самом устройстве ДВС. Основа любой установки — блок цилиндров. В нем и на нем расположены все компоненты.

Конструктивные особенности блока зависят от определенных условий: количества цилиндров, их расположения, способа охлаждения. Количество цилиндров, которые объединяются в один блок, может варьироваться от 1 до 16. Кроме того, блоки с нечетным числом цилиндров встречаются редко, из выпускаемых в настоящее время двигателей можно встретить только одно- и трехцилиндровые агрегаты. Большинство агрегатов имеют одинаковое количество цилиндров: 2, 4, 6, 8 и реже 12 и 16.

Четыре блока цилиндров

Силовые установки от 1 до 4 цилиндров обычно имеют рядные цилиндры. Если количество цилиндров больше, они располагаются в два ряда с определенным углом положения одного ряда относительно другого, так называемые силовые установки с V-образным расположением цилиндров. Такая компоновка позволила уменьшить габариты агрегатов, но в то же время их изготовление сложнее, чем поточная компоновка.

Блок цилиндров восьмой

Есть еще один тип блока, в котором цилиндры расположены в два ряда под углом друг к другу 180 градусов. Эти двигатели называют боксерами. В основном они встречаются на мотоциклах, хотя есть автомобили с таким типом трансмиссии.

Но условие количества цилиндров и их расположения не является обязательным. Есть 2- и 4-цилиндровые двигатели с V-образными или оппозитными цилиндрами, а также 6-цилиндровые рядные двигатели.

На электростанциях используется два типа охлаждения: воздушное и жидкостное. От этого зависит конструктивная особенность блока. Агрегат с воздушным охлаждением меньше по размеру и проще по конструкции, поскольку цилиндры в его конструкцию не входят.

Блок жидкостного охлаждения более сложный, в его конструкцию входят цилиндры, а сверху на блоке с цилиндрами расположена рубашка охлаждения. Внутри него циркулирует жидкость, отводя тепло от цилиндров. В этом случае блок вместе с рубашкой охлаждения образуют единое целое.

Сверху блок накрывается специальной пластиной — головкой (головкой). Это один из компонентов, обеспечивающих замкнутое пространство, в котором происходит процесс горения. Его конструкция может быть простой, без включения дополнительных механизмов, или сложной.

Система питания

Эта система обеспечивает подготовку топлива к его дальнейшей подаче в цилиндры. Конструкция этой системы зависит от топлива, используемого двигателем. Основным из них теперь является топливо, получаемое из нефти, с разными фракциями: бензин и дизельное топливо.

Бензиновые двигатели имеют два типа топливных систем: карбюраторную и инжекторную. В первой системе формирование смеси осуществляется в карбюраторе. Он дозирует и подает топливо в проходящий через него воздушный поток, затем эта смесь подается в цилиндры. Такая система состоит из топливного бака, топливных магистралей, вакуумного топливного насоса и карбюратора.

Система карбюратора

То же самое и в инъекционных машинах, но их дозировка более точная. Кроме того, топливо в форсунках добавляется в воздушный поток уже во впускном коллекторе через форсунку. Эта форсунка распыляет топливо, обеспечивая лучшее смесеобразование. Система впрыска состоит из бака, расположенного внутри него насоса, фильтров, топливопроводов и топливной рампы с форсунками, установленными на впускном коллекторе.

В дизельных двигателях компоненты топливной смеси подаются отдельно. Газораспределительный механизм только через клапаны подает воздух в цилиндры. Топливо в цилиндры подается отдельно, через форсунки и под высоким давлением. Эта система состоит из бака, фильтров, топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок.

В последнее время появились системы впрыска, работающие по принципу дизельной топливной системы — инжектор с непосредственным впрыском.

Система удаления выхлопных газов обеспечивает удаление продуктов сгорания из цилиндров, частичную нейтрализацию вредных веществ и снижение шума при выхлопе выхлопных газов. Он состоит из выпускного коллектора, резонатора, катализатора (не всегда) и глушителя.

Электрооборудование

Он снабжает это оборудование электричеством в бортовую сеть автомобиля, включая систему зажигания. Это оборудование также используется для запуска двигателя. Он состоит из аккумулятора, генератора, стартера, жгута проводов, всевозможных датчиков, контролирующих работу и состояние двигателя.

В этом весь прибор двигателя внутреннего сгорания. Хотя он постоянно совершенствуется, принцип его действия не меняется, совершенствуются только отдельные узлы и механизмы.

В чем отличия оппозитного двигателя?

Действительно, оппозитный двигатель является частным случаем V-образного двигателя, принцип действия которого основан на том, что угол развала цилиндров в таком двигателе составляет 180 °. Другими словами, пары цилиндров с поршнями лежат в горизонтальной плоскости. Поскольку поршни при работе такого двигателя движутся навстречу друг другу, их называют «боксерами». Количество цилиндров в оппозитных двигателях может варьироваться от двух до двенадцати, при этом наиболее популярны схемы с четырьмя и шестью цилиндрами.

Секционный оппозитный двигатель

Преимуществами такого расположения являются следующие особенности:

• большая устойчивость автомобиля, полученная благодаря смещению центра тяжести;
• более длительный срок службы за счет большей жесткости цилиндра;
• максимальная безопасность — при столкновении такой двигатель опускается, а не в салон автомобиля;
• снижение вибрации и шума при работающем двигателе;
• снижение веса основных агрегатов.

Недостатками системы являются:

• высокие затраты на обслуживание и ремонт;
• высокая стоимость производства двигателей;
• повышенный расход смазочных материалов.

Система зажигания

Система зажигания применяется только на бензиновых двигателях. На дизельных двигателях смесь воспламеняется от сжатия, поэтому в такой системе нет необходимости.

В бензиновых автомобилях зажигание осуществляется искрой, которая в определенный момент прыгает между электродами свечи накаливания, установленной в головке блока так, чтобы ее юбка располагалась в камере сгорания цилиндра.

Система зажигания состоит из катушки зажигания, трамблера (трамблера), проводки и свечей зажигания.

Система смазки

Система смазки обеспечивает снижение трения между взаимодействующими поверхностями двигателя за счет создания специальной пленки, предотвращающей прямой контакт между поверхностями. Кроме того, он отводит тепло, защищает элементы двигателя от коррозии.

Система смазки состоит из масляного насоса, масляной емкости: поддона, масляного патрубка, масляного фильтра, каналов, по которым масло движется к трущимся поверхностям.

Что представляет собой V-образный двигатель?

С увеличением количества цилиндров в двигателе рядные конструкции стали менее удобными и поэтому были заменены на V-образную схему компоновки. Она предусматривает установку цилиндров с поршнями попарно, один перед другим и под углом. Последний получил название угла развала и может изменяться между осями от 10 ° до 120 °. Количество цилиндров в таких агрегатах колеблется от шести до двенадцати, но это всегда четное число. Многие автопроизводители благодаря V-образной компоновке смогли поэкспериментировать с количеством цилиндров, увеличив их количество до двадцати четырех, но в серийном производстве таких машин до сих пор нет.

В зависимости от значения угла развала получаются определенные характеристики мотора. Так, например, небольшой угол позволяет объединить в моторе преимущества как рядных, так и V-образных моторов.

V двигатель

Среди преимуществ V-образных двигателей:

• компактный дизайн;
• более длительный срок службы двигателя;
• эффективная и динамичная работа на разных скоростях.

Из минусов:

• конструкция такого агрегата более сложная, так как у него две боевые части;
• высокая стоимость производства;
• большие колебания во время работы;
• сложность балансировки.

 

Как работает W-образный двигатель?

Ключевым отличием W-образного двигателя является расположение цилиндров с поршнями в три или четыре ряда, действующих на общий коленчатый вал. Угол развала менее 90 °. Некоторые модели двигателей W смещены, и каждая секция имеет другую головку. Такие компоновочные схемы используются не только в автомобильных двигателях, но и в авиации.

Подобно V-образному двигателю, такой двигатель может иметь до двенадцати цилиндров. Однако главным его преимуществом является еще более компактный дизайн. Основным недостатком W-образной схемы является необходимость изготовления коленчатого вала сложной формы, а также использование многоуровневой системы охлаждения, что значительно увеличивает стоимость изготовления двигателя.

Газораспределительный механизм

Задача этого механизма — своевременная подача горючей смеси или ее компонентов в цилиндр, а также отвод продуктов сгорания.

Двухтактные двигатели не имеют механизма как такового. В нем подача смеси и отвод продуктов сгорания осуществляется через технологические окна, выполненные в стенках футеровки. Таких окон три: вход, байпас и выход.

Поршень при движении открывает и закрывает то или иное окно, так гильза заполняется топливом и удаляются выхлопные газы. Использование такого газораспределителя не требует дополнительных агрегатов, поэтому ГБЦ такого двигателя простая, а ее задача — только обеспечить герметичность цилиндра.

4-х тактный двигатель имеет механизм газораспределения. Топливо для такого двигателя подается через специальные отверстия в головке. Эти отверстия закрываются клапанами. При необходимости подачи топлива или выхлопных газов из цилиндра открывается соответствующий клапан. Открытие клапанов обеспечивает распредвал, который своими кулачками в нужный момент давит на нужный клапан и открывает его отверстие. Распредвал приводится в движение коленчатым валом.

Ремень ГРМ и цепная передача

Времена могут отличаться. Двигатели выпускаются с нижним распределительным валом (расположен в блоке цилиндров) и верхним распределительным валом (в головке блока цилиндров). Передача усилия от вала к клапанам происходит через штоки и коромысла.

Чаще всего встречаются двигатели, в которых и вал, и клапаны находятся наверху. При таком расположении вал также находится в головке блока цилиндров и воздействует непосредственно на клапан, без промежуточных элементов.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм, входящий в конструкцию двигателя, преобразует возвратно-поступательное движение поршня в гильзе во вращательное движение коленчатого вала. Главный элемент этого механизма — коленчатый вал. Он имеет подвижное соединение с блоком цилиндров. Такое соединение обеспечивает вращение вала вокруг оси.

К одному концу вала прикреплен маховик. Работа маховика заключается в дальнейшей передаче крутящего момента от вала. Поскольку у 4-тактного двигателя при полезном действии только пол-оборота — один рабочий ход на два оборота коленчатого вала, остальное требует обратного действия, которое выполняет маховик. Обладая значительной вращающейся массой, благодаря своей кинетической энергии он обеспечивает запуск колен вала во время подготовительных мероприятий.

По окружности маховика имеется зубчатое кольцо, с помощью которого заводится силовая установка.

С другой стороны вала — шестерня привода масляного насоса и газораспределительного механизма, а также фланец для крепления шкива.

Этот механизм также включает в себя шатуны, которые передают мощность от поршня к коленчатому валу и наоборот. Соединение с шатунным валом также подвижное.

Поверхности блока цилиндров, колен вала и шатунов в местах шарниров не соприкасаются напрямую, между ними находятся подшипники скольжения — гильзы.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и большого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели выпускаются с 4-тактными циклами:

1. Впуск топлива;
2. Компрессия топлива;
3. Горение;
4. Отвод выхлопных газов за пределы камеры сгорания.

Отправной точкой является положение поршня вверх (ВМТ — верхняя мертвая точка). В этот момент впускной канал открывается клапаном, поршень начинает двигаться вниз и втягивает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго хода поршень достигает своей самой низкой точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при закрытом входе поршень начинает двигаться вверх, в результате чего топливная смесь сжимается. Когда поршень достигает своей наивысшей точки, топливная смесь сжимается до максимума.

Третий этап — зажигание сжатой топливной смеси свечой зажигания, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и с большой силой толкает поршень вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижнего предела и по инерции возвращается в верхнюю точку. В это время открывается выпускной клапан, выхлопная смесь в виде газа покидает камеру сгорания и попадает в путь через выхлопную систему. Затем цикл, начиная с первой фазы, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше метод универсален. На этом принципе основана работа практически всех бензиновых двигателей. Дизельные двигатели отличаются тем, что в них нет свечей зажигания, элемента, воспламеняющего топливо. Дизельное топливо взрывается при сильном сжатии топливной смеси. Во время такта «впуска» чистый воздух поступает в цилиндры дизельного двигателя. Во время такта «сжатия» воздух нагревается до 600 ° C. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная часть топлива, которое самовоспламеняется.

Цилиндро-поршневая группа

В эту группу входят гильзы цилиндров, поршни, поршневые кольца и пальцы. Именно в этой группе происходит процесс горения и передача энергии, выделяющейся для преобразования. Горение происходит внутри гильзы, которая с одной стороны закрыта головкой блока, а с другой — поршнем. Сам поршень может перемещаться внутри гильзы.

Для обеспечения максимального уплотнения внутри гильзы используются эластичные ленты, предотвращающие утечку смеси и продуктов сгорания между стенками гильзы и поршнем.

Поршень подвижно соединен с шатуном с помощью пальца.

Система охлаждения

Система охлаждения поддерживает оптимальную рабочую температуру при работающем двигателе. Используются два типа систем: воздушная и жидкостная.

Воздушная система обеспечивает охлаждение за счет обдува цилиндров воздухом. Для лучшего охлаждения на цилиндрах сделаны ребра охлаждения.

В жидкостной системе охлаждение производится жидкостью, которая циркулирует в охлаждающей рубашке в прямом контакте с внешней стенкой рубашки. Такая система состоит из рубашки охлаждения, водяного насоса, термостата, патрубков и радиатора.