VolvolineFleetguardHolsetCummins

Устройство двигателя

Как устроен автомобильный двигатель

Двигатель представляет собой важнейший и неотъемлемый компонент любого транспортного средства, поэтому его устройство стоит рассмотреть более подробно. Для того чтобы подчеркнуть, насколько важную роль этот агрегат играет в конструкции автомобиля, его очень часто сравнивают с человеческим сердцем, работа которого означает продолжение жизнедеятельности. Поломка или невозможность запуска двигателя превращает транспортное средство, включая все его механизмы и системы, в бесполезную металлическую конструкцию, аналогично тому, как остановка сердца приводит к смерти человека.

За всю историю своего существования автомобили постоянно совершенствовались и модернизировались, включая изменения двигателей, которые становились все более компактными, бесшумными, долговечными и эффективными, включая экономичность. Тем не менее, основной принцип работы моторов в течение всех этих лет оставался тем же – на автомашинах продолжают использоваться двигатели внутреннего сгорания (ДВС), за исключением появившегося сравнительно недавно альтернативного варианта – электродвигателя.

Двигатель внутреннего сгорания получил свое название благодаря основному принципу получения энергии. В результате сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндре мотора происходит выделение огромного количества энергии, которая посредством сложной системы механизмов и узлов приводит в движение сам автомобиль и обеспечивает работоспособность различных его систем. Подобный эффект обеспечивается именно за счет того, что смешанные с воздухом пары топлива воспламеняются и сгорают внутри ограниченного пространства.

Одноцилиндровый тип двигателя

В случае одноцилиндрового двигателя внутреннее пространство рабочего цилиндра является изнутри замкнутым. Поршень соединяется с коленчатым валом посредством шатуна и является в цилиндре двигателя единственным подвижным элементом. При воспламенении воздуха и топливных паров высвобождается энергия, оказывающая давление на стенки цилиндра и поршень, вызывая его движение вниз. Двигаясь через шатун,  поршень, обеспечивает создание крутящего момента для используемого в одноцилиндровом моторе коленчатого вала, конструкция которого начинает вращаться. В результате энергия, высвобождаемая в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, преобразуется в механическую энергию вращения.

Топливно-воздушная смесь может подготавливаться двумя основными методами, называемыми внешним или внутренним смесеобразованием. Отличиями этих вариантов являются состав получаемой рабочей смеси и способ ее воспламенения.

Для получения наиболее четкого представления о том, как устроен автомобильный двигатель, необходимо иметь в виду, что в современных моторах применяется две разновидности энергоносителей: бензин и дизельное топливо. В основе получения обоих этих вариантов лежит переработка нефти.

Бензин на воздухе очень быстро испаряется, поэтому в конструкциях работающих на этом типе топлива двигателей используется дополнительное устройство – карбюратор, устройство которого подробно описывается в разделе, посвященном системе питания двигателей. Карбюратор обеспечивает смешивание воздушного потока с капельками бензина и подачу этой смеси в цилиндр, где и происходит воспламенение топливно-воздушной смеси в результате искры, подающейся посредством свечи зажигания.

Испаряемость дизельного топлива (сокращенно – ДТ) в условиях обычных температур значительно ниже, но в случае смешивания с воздухом под действием очень высокого давления это вещество может воспламениться самопроизвольно. Эта особенность лежит в основе действия дизельных двигателей, устройство которых более подробно рассматривается в соответствующем разделе. Дизельное топливо подается в цилиндр путем впрыскивания через форсунку отдельно от воздуха. Форсунка обладает узкими соплами, которые в совокупности с высоким давлением в процессе впрыскивания трансформируют ДТ в мелкие капельки, смешиваемые с воздухом. Для наглядности можно провести сравнение с нажатием на крышку баллончика с дезодорантом: в результате из баллончика вылетает струя жидкости, которая сразу же перемешивается с воздухом и образует смесь мелкой дисперсии, которая сразу же распыляется, тогда как приятный аромат остается. Аналогичным образом распыляется внутри цилиндра дизельное топливо. В процессе движения поршня вверх происходит сжатие воздушного пространства и повышение давления, приводящее к самовозгоранию смеси, которое, в свою очередь, обеспечивает поршню движение в обратном направлении.

Вне зависимости от типа используемого топлива, качество подготовленной рабочей смеси оказывает существенное влияние на эффективность работы двигателя. В случае недостатка топлива или воздуха происходит неполное сгорание рабочей смеси, в результате чего вырабатываемая мотором мощность значительно снижается.

Каким образом рабочая смесь попадает внутрь цилиндра

Вверх от цилиндра отходят два стержня со шляпками больших размеров – выпускной и впускной клапаны, открытие и закрытие которых происходит в соответствующие моменты, за счет чего и обеспечиваются рабочие процессы внутри цилиндра. Эти клапаны могут быть одновременно закрыты, но никогда не бывают одновременно открыты. Причину этого ограничения мы рассмотрим чуть ниже.

В случае бензинового двигателя внутри цилиндра имеется свеча, за счет которой происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, когда под действием электрического разряда в свечи возникает искра. Более подробно принципы устройства и функционирования свечей рассматриваются в разделе, посвященном системе зажигания ДВС.

Благодаря впускному клапану рабочая смесь своевременно поступает в цилиндр, а выпускной клапан позволяет в нужный момент выпускать отработанные газы, когда они становятся ненужными. Клапаны срабатывают в определенные моменты в соответствии с движением поршня. Процесс, в рамках которого энергия сгорания трансформируется в механическую, принято называть рабочим циклом. Он включает в себя четыре основных такта: впуск рабочей смеси в цилиндр, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Именно поэтому двигатели, работающие по этому принципу, называются четырехтактными.

Как работает поршень

Работу поршня можно изучить по следующей схеме

Работа поршня

Поршень совершает внутри цилиндра только возвратно-поступательные движения, то есть двигается только вверх или вниз. Эти движения называют ходом поршня, а крайние точки его перемещения – мертвыми точками: нижней (НМТ) и верхней (ВМТ). Слово «мертвая» используется потому, что в момент изменения направления движения поршня на 180° происходит полное прекращение его перемещения, длящееся какие-то тысячные доли секунды.

Верхняя мертвая точка располагается на определенном удалении от верхней границы цилиндра. Область внутри цилиндра между верхней границей и ВМТ принято называть камерой сгорания, а область, в которой движется поршень – рабочим объемом цилиндра. Это достаточно распространенное понятие, являющееся одной из важнейших характеристик любого автомобильного двигателя. В совокупности камера сгорания и рабочий объем образуют полный объем цилиндра.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания получило название степени сжатия рабочей смеси. Этот показатель также является достаточно важной характеристикой автомобильного двигателя: от того, насколько сильно сжимается смесь, напрямую зависит отдача в результате сгорания, за счет которой и получается механическая энергия.

При этом в результате излишнего сжатия топливно-воздушная смесь может не воспламениться, а взорваться – явление, называемое детонацией и приводящее к снижению мощности двигателя и вызывающего повышение его изнашивания или даже разрушение. Во избежание детонации смеси в двигателе современные производители топлива наладили выпуск бензина, обладающего устойчивостью к высокому уровню сжатия. Каждому из нас попадались на глаза надписи на АЗС – «АИ-92», «АИ-95» и т.д. Число в такой надписи означает октановое число, величина которого прямо пропорциональна устойчивости топливной смеси к детонации, позволяя использовать бензин при более высокой степени сжатия.

Как работает двигатель автомобиля

Изучив работу поршня, можно продолжить рассмотрение рабочего цикла цилиндра. Изучим схему функционирования автомобильного двигателя.

  • Первый такт, инициирующий процесс – впуск. В начале такта поршень располагается в ВМТ, а начало его движения в нижнем направлении приводит к открытию впускного клапана. Образующийся вакуум вызывает втягивание воздуха или готовой рабочей смеси внутрь цилиндра. В случае дизельного двигателя на данном этапе происходит впрыскивание топлива через форсунку. К тому моменту, когда поршень достигает НМТ, происходит полное закрытие впускного клапана, в результате чего цилиндр полностью заполняется рабочей смесью, в состав которой входят пары воздуха и топлива. На этом первый такт завершается.
  • Второй такт – сжатие. Перед тем, как воспламенять рабочую смесь, для получения максимального количества энергии в результате ее горения, следует как можно сильнее сжать эту смесь. Это достигается за счет полной герметизации внутреннего объема цилиндра за счет закрывания всех клапанов и движения поршня вверх, в направлении верхней мертвой точки. После того как поршень достигает ВМТ, такт сжатия завершается, а смесь в камере сгорания воспламеняется.
  • Воспламенение смеси является началом третьего такта – рабочего хода поршня. В случае бензиновых двигателей смесь возгорается за счет искры, проскакивающей в свече зажигания, тогда как в двигательные моторы отличаются самопроизвольным воспламенением смеси, давление которой достигает определенной отметки. В обоих случаях клапана продолжают оставаться в закрытом состоянии, и при возгорании высвобождается огромное количество энергии, которая оказывает давление на поршень, обеспечивая его движение вниз. Именно этот ход поршня под действием энергии сгорания смеси является ключевым тактом работы автомобильного двигателя, поскольку при этом возникает энергия, обеспечивающая как осуществление всех остальных тактов рабочего процесса, так и движение транспортного средства в целом. Для этой цели служит маховик, расположенный на конце коленвала. Энергия движения поршня передается маховику посредством шатуна, в результате чего он приводит вал во вращение, обеспечивающее возможность совершения остальных трех тактов, предусмотренных рабочим циклом. Соответственно, глохнущий или не заводящийся двигатель сигнализирует о том, что рабочая смесь, находящаяся в цилиндре, по каким-то причинам перестала воспламеняться. Учитывая, что третий такт называется рабочим ходом поршня, такты 1, 2 и 4 принято называть холостыми – фактически, они нужны для реализации третьего такта.

Достижение поршнем нижней мертвой точки означает, что процесс сгорания смеси окончен, а все пространство внутри цилиндра занимают газы и остатки сгорания, которые необходимо вывести наружу, чтобы начать новый цикл.

Таким образом, можно говорить о начале последнего, четвертого такта – выпуска отработавших газов.

Движение поршня в верхнем направлении приводит к открытию выпускного клапана. Поршень создает давление, под действием которого газы вытесняются посредством выпускного клапана из пространства цилиндра. Когда поршень достигает верхней мертвой точки, происходит закрытие клапана, что означает окончание текущего рабочего цикла и начало нового.

Выше рассмотрен процесс выработки энергии на примере одноцилиндрового ДВС, но нужно понимать, что для обеспечения равномерного бесперебойного функционирования двигателя работы одного цилиндра оказывается явно недостаточно, поскольку рабочим является лишь один из четырех тактов. Современные автомобили, включая наиболее бюджетные и простые модели, оснащаются двигателями как минимум с 4-6 цилиндрами, причем наиболее распространенными являются моторы с 6-8 цилиндрами, а их максимальное количество может доходить до 12. Следует также отметить, что количество цилиндров всегда является четным.

Для лучшего понимания стоит ознакомиться с рисунком, на котором изображена диаграмма работы автомобильного двигателя.

Работа автомобильного двигателя

На схеме изображен классический вариант функционирования ДВС, имеющего четыре цилиндра, пронумерованных на рисунке соответствующим образом. Под каждым из цилиндров указано, в какой момент в нем происходят предусмотренные рабочим циклом такты. Внимательное изучение схемы позволяет выявить две важные закономерности.

Первая закономерность – по горизонтали: такты, происходящие в каждом из цилиндров, никогда не дублируются, то есть в четырех разных цилиндрах всегда происходят четыре разных такта.

Вторую закономерную особенность можно обнаружить, глядя сверху вниз и слева направо. Очередность тактов всегда соблюдается в следующем порядке: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск. Благодаря такой последовательности работы разных цилиндров обеспечивается равномерность работы автомобильного двигателя в целом. Чем большее количество цилиндров установлено в ДВС, тем более стабильной является его работа, не прекращающаяся даже в том случае, если один из цилиндров перестает функционировать.

При этом нужно понимать, что большее количество цилиндров означает повышенную сложность конструкции автомобильного двигателя, то есть приводит к определенному снижению эффективности. В связи с этим оптимальным вариантом автомобильного двигателя является устройство, в котором используется от 4 до 8 цилиндров.

На этом теоретический обзор способа использования энергоносителей для получения механической энергии можно считать завершенным. Следующий раздел посвящен работе компонентов и систем двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающих непрерывность и бесперебойность рабочего процесса.

Отметим, что двигатель внутреннего сгорания в совокупности со всеми узлами, механизмами и системами, служащими для обеспечения его надлежащего функционирования, принято называть силовой установкой. При этом в состав непосредственно ДВС входят два механизма, один из которых уже частично рассмотрен в этой теоретической части – газораспределительный и кривошипно-шатунный механизмы. В следующих разделах устройство этих механизмов будет освещено более подробно. К тому же, в двигателе внутреннего сгорания используются четыре системы, необходимости для поддержания работоспособности агрегата: это системы питания, охлаждения, смазки и зажигания.