Общее устройство и принцип работы двс. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Принципы работы ДВС

Двигатель внутреннего сгорания – это основной вид автомобильных силовых агрегатов на сегодняшний день. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основывается на эффекте теплового расширения газов, возникающего во время сгорания в цилиндре .

Самые распространенные виды двигателей

Существует три разновидности ДВС: поршневой, роторно-поршневой силовой агрегат системы Ванкеля и газотурбинный. За редким исключением на современные авто устанавливаются четырехтактные поршневые моторы. Причина кроется в низкой цене, компактности, малом весе, многотопливности и возможности установки практически на любые транспортные средства.

Легкий двигатель внутреннего сгорания может пройти в течение нескольких секунд от одного положения покоя до другого, в котором он обеспечивает максимальную мощность, занимая всего несколько минут в больших системах, таких как лодки. Эта особенность делает его идеальным механизмом для приложений с частыми изменениями энергии, такими как двигатель автомобиля, поезда или лодки.

Классификация двигателей внутреннего сгорания. Существуют различные критерии классификации двигателей внутреннего сгорания: в зависимости от используемого топлива, количества и расположения цилиндров, типа и расположения клапанов или используемой системы охлаждения. Наиболее частая классификация основана на типе цикла, то есть на количестве раз в цикле.

Сам по себе двигатель автомобиля – это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которого обеспечивает множество систем, узлов и агрегатов. Поршневые ДВС бывают двух- и четырехтактными. Понять принцип работы двигателя автомобиля проще всего на примере четырехтактного одноцилиндрового силового агрегата.

В так называемом четырехтактном двигателе в каждом цикле двигателя происходит четыре удара. В так называемом двухтактном двигателе каждый цикл двигателя состоит только из двух ходов, причем вход и сжатие объединяются в одном, а выброс и выхлоп в другом. Эти двигатели используются с дизелем.

Эксплуатация четырехтактного двигателя взрыва. Четырехтактный двигатель используется в большинстве автомобилей. В каждый из этих времен соответствует ход поршня и, следовательно, половина оборота коленчатого вала. В первый раз, называемый входом, поршень находится в верхней мертвой точке и начинает падать. В этот момент впускной клапан открывается, выпускной клапан закрывается. Когда коленчатый вал вращается, локоть будет занимать разные точки его вращающегося пути и, с помощью шатуна, заставляет поршень опускаться и вызывать всасывание в карбюраторе через трубопровод, который открыл впускной клапан, затягивая количество воздуха и бензина, которые смешиваются и измельчаются в карбюраторе.

Четырехтактным мотор называется потому, что один рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:

  • впуск;
  • сжатие;
  • рабочий ход;
  • выпуск.

Общее устройство ДВС

Чтобы понять принцип работы мотора, необходимо в общих чертах представить его устройство. Основными частями являются:

Эти газы заполняют пустое пространство, оставленное поршнем, когда оно падает. Когда нижняя мертвая точка достигнута, впускной клапан закрыт, а газы заключены внутри цилиндра. Во время этого хода поршня коленчатый вал повернулся на пол-оборота. В начале второго раза, называемом сжатием, поршень находится в нижней мертвой точке, а два клапана закрыты. Коленчатый вал продолжает вращаться, и поэтому шатун толкает поршень, который поднимается. Газы внутри цилиндра занимают все меньше места, поскольку поршень приближается к верхней мертвой точке.

  1. блок цилиндров (в нашем случае цилиндр один);
  2. кривошипно-шатунный механизм, состоящий из коленчатого вала, шатунов и поршней;
  3. головка блока с (ГРМ).


Кривошипно-шатунный механизм обеспечивает преобразование поступательно-возвратного движения поршней во вращение коленчатого вала. Поршни приходят в движение благодаря энергии сгорающего в цилиндрах топлива.

Когда он достигает этого уровня, газы занимают пространство камеры сжатия и поэтому сжимаются и нагреваются сжатием. По мере повышения температуры происходит испарение бензина, и смесь становится более однородной, так что существует более тесный контакт между бензином и воздухом. Во время этого нового хода поршня коленчатый вал повернул еще один поворот.

Третий раз - взрыв. Когда поршень находится в верхней мертвой точке после окончания хода сжатия, в свечу зажигания впрыскивается искра, которая воспламеняет уже сжатую и горячую смесь воздуха и газа, которая быстро горит. Это быстрое сгорание называется взрывом и вызывает расширение уже сгоревших газов, которые оказывают сильное давление на поршень, отталкивая его от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке, давление становится меньше, так как газы занимают большее пространство.


Работа данного механизма невозможна без работы механизма газораспределения, который обеспечивает своевременное открытие впускных и выпускных клапанов для впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов. Состоит ГРМ из одного или нескольких имеющих кулачки, толкающие клапаны (не менее двух на каждый цилиндр), клапанов и возвратных пружин.

В это новое время поршень получил сильный импульс, который передает коленчатому валу, что по инерции будет продолжать вращаться, пока не получит новый импульс. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, выпускной клапан открывается, и впускной клапан остается закрытым. Во время этого нового хода поршня, деноминированный мотив, потому что он является единственным, в котором работают, коленчатый вал повернул еще один поворот.

В начале четвертого времени, называемого выхлопом, поршень находится в нижней мертвой точке, и выпускной клапан открывается, поэтому газы, сжигаемые внутри цилиндра, быстро выходят наружу через него, для подвергаться большему давлению, чем атмосферное давление. Коленчатый вал продолжает вращать и поднимать поршень, который вытесняет сожженные газы снаружи. Когда он достигает верхней мертвой точки, выпускной клапан закрывается, и впускной клапан открывается. Во время эвакуации поршень совершил новый ход, а коленчатый вал повернул еще один поворот.

Двигатель внутреннего сгорания способен работать только при слаженной работе вспомогательных систем, к которым относятся:

  • система зажигания, отвечающая за воспламенение горючей смеси в цилиндрах;
  • впускная система, обеспечивающая подачу воздуха для образования рабочей смеси;
  • топливная система, обеспечивающая непрерывную подачу топлива и получение смеси горючего с воздухом;
  • система смазки, предназначенная для смазывания трущихся деталей и удаления продуктов износа;
  • , которая обеспечивает удаление отработавших газов из цилиндров ДВС и снижение их токсичности;
  • система охлаждения, необходимая для поддержания оптимальной температуры для работы силового агрегата.

Рабочий цикл мотора

Как было сказано выше, цикл состоит из четырех тактов. Во время первого такта кулачок распредвала толкает впускной клапан, открывая его, поршень начинает двигаться из крайнего верхнего положения вниз. При этом в цилиндре создается разрежение, благодаря которому в цилиндр поступает готовая рабочая смесь, либо воздух, если двигатель внутреннего сгорания оснащен системой непосредственного впрыска топлива (в таком случае горючее смешивается с воздухом непосредственно в камере сгорания).

Как только время эвакуации закончено, цикл повторяется. Как уже было сказано, клапаны открываются и закрываются, совпадающие с поршневым проходом через верхнюю и нижнюю мертвую точку. Для достижения более высокой производительности в двигателях клапаны открываются и закрываются с определенным увеличением или задержкой по отношению к указанным временам. Это так называемые размеры распределения, значения которых определяются производителем и рассчитаны на то, чтобы двигатель развивал максимальную мощность.

Двигатель Ванкеля имеет особую форму камеры сгорания поршня, что позволяет лучше использовать полученную мощность. В традиционном двигателе поршень поднимается и падает вертикально, а ось прикрепляется к той, которая отвечает за преобразование этого движения в другую вертикаль, которая передается в кривошип. Это вертикальное движение поршня имеет недостатки.

Поршень через шатун сообщает движение коленчатому валу, поворачивая его на 180 градусов к моменту достижения крайнего нижнего положения.

Во время второго такта – сжатия – впускной клапан (или клапаны) закрывается, поршень меняет направление движения на противоположное, сжимая и нагревая рабочую смесь или воздух. По окончанию такта, системой зажигания на свечу подается электрический разряд, и образуется искра, поджигающая сжатую топливно-воздушную смесь.

Во-первых, внезапные изменения направления, снизу вверх и наоборот усталость металла и вызывают ожидаемый разрыв Другая проблема заключается в том, что передача энергии неэффективна и часть теряется при перемещении поршня вертикально без инвертирования при повороте коленчатого вала.

Двигатель Ванкеля был сконструирован таким образом, чтобы сила взрыва использовалась целиком при перемещении коленчатого вала и использовании менее подвижных частей. Он состоит из изогнутой полости, которая является камерой сгорания. Внутри это поршень, который имеет форму треугольника с вогнутыми краями. Внутренняя часть указанного поршня имеет зубчатую окружность, которая прикреплена к шестерне коленчатого вала.

Принцип воспламенения горючего у дизельного ДВС иной: в завершении такта сжатия, через форсунку, в камеру сгорания впрыскивается мелкораспыленное дизтопливо, где оно смешивается с нагретым воздухом, и происходит самовоспламенение получившейся смеси. Необходимо отметить, что по этой причине степень сжатия дизеля намного выше.

Поскольку поршень имеет треугольную форму, его можно понимать так, как если бы они были тремя отдельными поршнями, каждый в одной фазе за раз. Энергия используется для перемещения поршня круговыми движениями, а резкие изменения движения значительно уменьшаются.

С этим двигателем даже мощность обычного двигателя была удвоена, но проблемы конструкции и износа, особенно углы поршня, которые протирали стену камеры, предотвратили ее диффузию в больших масштабах. Повышение жесткости норм выбросов и минимальных требований к экономии топлива для автомобильных производителей стало основной темой исследований в области разработки двигателя внутреннего сгорания. Несколько концепций низкотемпературного внутреннего сгорания, включая гомогенное воспламенение сжатого заряда и его варианты, исследуются как жизнеспособные и эффективные будущие варианты двигателей внутреннего сгорания.

Коленвал тем временем повернулся еще на 180 градусов, сделав один полный оборот.

Третий такт именуется рабочим ходом. Образующиеся во время сгорания топлива газы, расширяясь, толкают поршень в крайнее нижнее положение. Поршень передает энергию коленвалу через шатун и поворачивает его еще на пол-оборота.

Что такое низкотемпературный двигатель внутреннего сгорания

В этом документе кратко представлены некоторые общие варианты низкотемпературного сгорания, в которых изложены различные подсистемы, необходимые для управления большинством низкотемпературных двигателей внутреннего сгорания, и обсуждение аппаратного и программного обеспечения, необходимого для взаимодействия с этими подсистемами. Целью низкотемпературного двигателя внутреннего сгорания является достижение высоких уровней топливной эффективности без образования вредных выбросов. Из загрязняющих веществ, регулируемых при сжигании дизельного топлива, двумя основными являются: оксиды азота и твердые частицы.

По достижении нижней мертвой точки начинается заключительный такт – выпуск. В начале данного такта кулачок распределительного вала толкает и открывает выпускной клапан, поршень движется вверх и выгоняет отработавшие газы из цилиндра.

ДВС, устанавливаемые на современные автомобили, имеют не один цилиндр, а несколько. Для равномерной работы мотора в один и тот же момент времени в разных цилиндрах выполняются разные такты, и каждые пол-оборота коленвала как минимум в одном цилиндре происходит рабочий ход (исключение составляют 2- и 3-цилиндровые моторы). Благодаря этому удается избавиться от лишних вибраций, уравновешивая силы, действующие на коленвал и обеспечить ровную работу ДВС. Шатунные шейки расположены на валу под равными углами относительно друг друга.

Однофазное сжатие

На рисунке 1 показана зависимость между температурой пламени и образованием загрязняющих веществ. Ранняя инъекция позволяет топливу равномерно смешиваться с воздухом, когда он сжимается, подобно бензиновому двигателю с впрыском топлива. Смесь полностью сжигается без необходимости горячего пламени, вызванного искровым или локально богатым пламенем зажигания, с помощью воспламенения от сжатия.

Предварительно смешанное воспламенение от сжатия

Сбор и обработка данных, а также привод должны происходить быстро и в реальном времени для каждого события горения, между каждым циклом, который необходимо отрегулировать. Зажигание все еще происходит без помощи свечи зажигания. Всасываемый воздух предварительно смешивается с топливом до того, как этот импульс с задержкой впрыска топлива произойдет. Загрязненная топливом область задерживаемого импульса впрыска горит до того, как горит горький заряд сгоревшего топлива.

Из соображений компактности многоцилиндровые моторы делают не рядными, а V-образными или оппозитными (визитная карточка фирмы Subaru). Это позволяет сэкономить немало пространства под капотом.

Двухтактные моторы

Помимо четырехтактных поршневых ДВС существуют двухтактные. Принцип их работы несколько отличается от описанного выше. Устройство такого мотора проще. В цилиндре имеется для окна – впускное и выпускное, расположенное выше. Поршень, находясь в НМТ, перекрывает впускное окно, затем, двигаясь вверх, перекрывает выпускное и сжимает рабочую смесь. По достижении им ВМТ на свече образуется искра и поджигает смесь. В это время впускное окно оказывается открытым, и через него в кривошипную камеру попадает очередная доза топливно-воздушной смеси.

Отложенный впрыск топлива также позволяет более прямое управление тем, где и как начинается сгорание в цилиндре, подобно двигателям с непосредственным впрыском с распылителем. Несколько инъекций этих различных видов топлива планируются с интервалами, чтобы обеспечить контроль реакционной способности заряда в цилиндре, чтобы получить оптимальную продолжительность и величину сгорания.

Топливо с относительно низкой реакционной способностью предварительно закачивается в цикл двигателя и равномерно перемешивается с воздухом. Затем в цикле в цилиндр вводят топливо с высокой реакционной способностью. Перестановки этого подхода были продемонстрированы со всеми комбинациями бензина, дизельного топлива и природного газа, а также различных видов биотоплива и конкретных видов топлива.

Во время второго такта, двигаясь вниз под воздействием газов, поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы выдуваются из цилиндра новой порцией рабочей смеси, которая попадает в цилиндр через продувочный канал. Частично рабочая смесь при этом также уходит в выпускное окно, что объясняет прожорливость двухтактного ДВС.

В этих переходных условиях двигатель переключается на традиционный режим искрового зажигания, для которого начало зажигания определяется временем искрового события. Предпринимаются также усилия по совершенствованию традиционного бензинового двигателя. Высокоэффективный разбавленный бензиновый двигатель - это группа исследователей, которые хотят улучшить бензиновый двигатель, чтобы сделать его более конкурентоспособной платформой в будущем среди всех других двигателей в поиске. Одним из ключевых элементов для достижения этих целей является использование рециркуляции отработавших газов.

Подобный принцип работы позволяет достичь большей мощности двигателя при меньшем рабочем объеме, однако за это приходится расплачиваться большим расходом топлива. К преимуществам таких моторов можно отнести более равномерную работу, простую конструкцию, малый вес и высокую удельную мощность. Из недостатков следует упомянуть более грязный выхлоп, отсутствие систем смазки и охлаждения, что грозит перегревом и выходом агрегата из строя.

Подсистемы, необходимые для управления низкотемпературными двигателями внутреннего сгорания

Во-первых, все они требуют сбора данных в реальном времени и обработки событий внутри цилиндра, чтобы параметры двигателя можно было отрегулировать для достижения желаемых результатов. Согласно общему факту, все они имеют точный контроль над распределением топлива в цилиндре.

Анализ давления в цилиндре в режиме реального времени

Анализ сжигания и управления двигателем обычно происходит в двух отдельных системах, каждый со своим программным пакетом. Таким образом, время разработки может быть высоким, и конфигурация программного обеспечения может быть отложена. Датчики давления в цилиндре обеспечивают данные, необходимые для точного анализа фазы горения, а также знания, требуемые при неблагоприятных условиях горения, таких как сбой и отказ от воспламенения.

На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания (ДВС) или как его еще называют "атмосферник" - основной тип двигателя, который широко применяется в автомобильной индустрии. Что такое ДВС? Это - многофункциональный тепловой агрегат, который при помощи химических реакций и законов физики преобразует химическую энергию топливной смеси в механическую силу (работу).

Двигатели внутреннего сгорания делятся на:

  1. Поршневой ДВС.
  2. Роторно-поршневой ДВС.
  3. Газотурбинный ДВС.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания - самый популярный среди вышеперечисленных двигателей, он завоевал мировое признание и уже много лет лидирует в автоиндустрии. Предлагаю более детально рассмотреть устройство ДВС , а также принцип его работы.

К преимуществам поршневого двигателя внутреннего сгорания можно отнести:

  1. Универсальность (применение на различных транспортных средствах).
  2. Высокий уровень автономной работы.
  3. Компактные размеры.
  4. Приемлемая цена.
  5. Способность к быстрому запуску.
  6. Небольшой вес.
  7. Возможность работы с различными видами топлива.

Кроме "плюсов" имеет двигатель внутреннего сгорания и ряд серьезных недостатков, среди которых:

  1. Высокая частота вращения коленвала.
  2. Большой уровень шума.
  3. Слишком большой уровень токсичности в выхлопных газах.
  4. Маленький КПД (коэффициент полезного действия).
  5. Небольшой ресурс службы.

Двигатели внутреннего сгорания различаются по типу топлива, они бывают:

  1. Бензиновыми.
  2. Дизельными.
  3. А также газовыми и спиртовыми.

Последние два можно назвать альтернативными, поскольку на сегодняшний день они не получили широкого применения.

Спиртовой ДВС работающий на водороде - самый перспективный и экологичный, он не выбрасывает в атмосферу вредный для здоровья "СО2", который содержится в отработанных газах поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Поршневой ДВС состоит из следующих подсистем:

  1. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ).
  2. Система впуска.
  3. Топливная система.
  4. Система смазки.
  5. Система зажигания (в бензиновых моторах).
  6. Выпускная система.
  7. Система охлаждения.
  8. Система управления.

Корпус двигателя состоит из нескольких частей, в которые входят: блок цилиндров, а также головка блока цилиндров (ГБЦ). Задача КШМ - преобразовать возвратно-поступательные движения поршня во вращательные движения коленвала. Газораспределительный механизм необходим ДВС для обеспечения своевременного впуска в цилиндры топливно-воздушной смеси и такой же своевременный выпуск отработанных газов.

Впускная система служит для своевременной подачи воздуха в двигатель, который необходим для образования топливно-воздушной смеси. Топливная система осуществляет подачу в двигатель топлива, в тандеме две этих системы работают над образованием топливно-воздушной смеси после чего она подается посредством системы впрыска в камеру сгорания.

Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит благодаря системе зажигания (в бензиновых ДВС), в дизельных моторах воспламенение происходит за счет сжатия смеси и свечей накала.

Система смазки как уже понятно из названия служит для смазки трущихся деталей, снижая тем самым их износ, увеличивая срок их службы и отводя тем самым от их поверхностей температуру. Охлаждение нагревающихся поверхностей и деталей обеспечивает система охлаждения, она отводит температуру при помощи охлаждающей жидкости по своим каналам, которая проходя через радиатор - охлаждается и повторяет цикл. Система выпуска обеспечивает вывод отработанных газов из цилиндров ДВС посредством , которая входит в состав этой системы, снижает шум сопровождаемый выброс газов и их токсичность.

Система управления двигателем (в современных моделях за это отвечает электронный блок управления (ЭБУ) или бортовой компьютер) необходима для электронного управление всеми вышеописанными системами и обеспечения их синхронности.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?


Принцип работы ДВС базируется на эффекте теплового расширения газов, которое возникает во время сгорания топливно-воздушной смеси, за счет чего осуществляется движение поршня в цилиндре. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания происходит за два оборота коленвала и состоит из четырех тактов, отсюда и название - четырехтактный двигатель.

  1. Первый такт - впуск.
  2. Второй - сжатие.
  3. Третий - рабочий ход.
  4. Четвертый - выпуск.

Во время первых двух тактов - впуска и рабочего такта, движется вниз, за два других сжатие и выпуск – поршень идет вверх. Рабочий цикл каждого из цилиндров настроен таким образом чтобы не совпадать по фазам, это необходимо для того чтобы обеспечить равномерность работы двигателя внутреннего сгорания. Есть в мире и другие двигатели, рабочий цикл которых происходит всего за два такта – сжатие и рабочий ход, этот двигатель называется двухтактным.

На такте впуска топливная система и впускная образуют топливно-воздушную смесь, которая образуется во впускном коллекторе или непосредственно в камере сгорания (все зависит от типа конструкции). Во впускном коллекторе в случае с центральным и распределенным впрыском бензиновых ДВС. В камере сгорания в случае с непосредственным впрыском в бензиновых и дизельных моторах. Топливно-воздушная смесь или воздух во время открытия впускных клапанов ГРМ подается в камеру сгорания за счет разряжения, которое возникает во время движения поршня вниз.

Впускные клапаны закрываются на такте сжатия, после чего топливно-воздушная смесь в цилиндрах двигателя сжимается. Во время такта "рабочий ход" смесь воспламеняется принудительно или самовоспламеняется. После возгорания в камере возникает большое давление, которое создают газы, это давление воздействует на поршень, которому ничего не остается как начать двигаться вниз. Это движение поршня в тесном контакте с кривошипно-шатунным механизмом приводят в движение коленчатый вал, который в свою очередь образует крутящий момент, приводящий колеса автомобиля в движение.

Такт "выпуск" , после чего отработанные газы освобождают камеру сгорания, а после и выпускную систему, уходя охлажденными и частично очищенными в атмосферу.

Короткое резюме

После того как мы рассмотрели принцип работы двигателя внутреннего сгорания можно понять почему ДВС обладает низким КПД, который составляет примерно 40%. В то время как в одном цилиндре происходит полезное действие, остальные цилиндры грубо говоря бездействуют, обеспечивая работу первого тактами: впуск, сжатие, выпуск.

На этом у меня все, надеюсь вам все понятно, после прочтения данной статьи вы легко сможете ответить на вопрос, что такое ДВС и как устроен двигатель внутреннего сгорания. Спасибо за внимание!