Особенности работы бензинового двигателя

Классификация ДВС

В ходе эволюции таких двигателей они разделились на несколько типов:

Поршневые ДВС

Для этих моторов свойственно расположение рабочей камеры в цилиндрах и преобразование тепловой энергии в работу с помощью механизма из кривошипов и шатуна. Этот механизм передаёт двигательную энергию на коленвал.

Существует деление поршневых двигателей:

• на карбюраторные (с формированием смеси воздуха с топливом внутри карбюратора, дальнейшим впрыскиванием внутрь цилиндра и воспламенении в нём от искры, создаваемой свечой зажигания):
• инжекторные, с подачей смеси непосредственно в коллектор впуска посредством форсунки под контролем управляющего блока на электронике, и тоже воспламенением от свечи:
• дизельные, где смесь воздуха и топлива воспламеняется при отсутствии свечи, от сжимания воздуха, нагревающегося от давления и температуры, которая превышает температуру горения, тогда как впрыск топлива внутрь цилиндров происходит посредством форсунок.

Роторно-поршневые ДВС

Роторно — поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

В таких двигателях тепловая энергия преобразуется в работу путём вращения ротора, который имеет специальные профиль и форму. Его вращают выхлопные газы.

Газотурбинные ДВС

https://www.drom.ru/

Эти моторы отличаются тем, что тепловая энергия в них трансформируется в работу через роторное вращение. При этом имеет специальные лопатки клиновидной формы. Именно он движет турбинный вал.

Самые надёжные, неприхотливые и экономичные в вопросах расходования горючего и потребности в постоянном техническом обслуживании, — моторы поршневого типа.

По предназначению

Выделяют:

• главные ДВС (к ним относятся, в частности, агрегаты в тракторах, машинах, а также самоходные шасси)
• ДВС вспомогательного назначения (служащие пусковыми устройствами для главных двигателей — дизелей).

По принципу функционирования

ДВС бывают дизельными и карбюраторными.

Карбюраторные двигатели. Топливно-воздушная смесь в них образуется в карбюраторе, которая воспламеняется  от энергии электрического разряда.

В дизельных двигателях рабочая смесь получается непосредственно внутри цилиндров. Это называют внутренним смесеобразованием. Воспламенение топливной смеси происходит от высокой температуры воздуха, находящегося под высоким давлением в рабочей камере цилиндра.

По способу осуществления рабочего цикла

ДВС делятся на четырехтактные и двухтактные.

Для четырехтактных двигателей характерно последовательное чередование тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Это происходит в течение четырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала.

У двухтактных двигателей весь процесс протекает за два такта. Поэтому рабочий цикл у них протекает за два хода поршня и один оборот коленчатого вала.

По виду применяемого топлива

ДВС разделяются на:

• работающие на жидком топливе (дизельном, бензине)
• -работающие на газообразном топливе (генераторный, природный и другие газы).

По числу цилиндров 

• одноцилиндровые (например, П-350) 
• многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шести-, восьми-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые). Трех-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые двигатели применяются редко.

По расположению цилиндров

рядные или линейные, когда цилиндры расположены в один ряд;

https://zen.yandex.ru/media/id/5d2f518dcfcc8600ad6de3f3/principy-raboty-dvs-5d3075d9fe289100ace1cc8a

двухрядные — V-образные, у которых два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу;

https://qriosity.ru/car-engine/index.html

оппозитные, когда цилиндры одного ряда располагаются напротив (через 180°) второго ряда.

https://automotolife.com/

По назначению

По назначению двигатели делятся на:

• стационарные промышленного назначения —для установок на электростанциях, насосных станциях и т. д.;
• наземно-транспортные — тепловозные, автомобильные, тракторные, двигатели дорожных и транспортно-погрузочных машин и т. п.;
• судовые — главные двигатели (реверсивные и нереверсивные), вспомогательные (для привода вспомогательных механизмов судовой силовой установки);
• авиационные.

Что касается эксплуатации…

Максимальная мощность развивается на высоких оборотах, что делает автомобиль относительно быстрым даже без турбонаддува. Но есть и минус таких двигателей – это слабая тяга при маленьких оборотах, которая делает движение трудным при большом уклоне дороги и высокой нагрузке. Поэтому приходится начинать движение на высоких оборотах, а это плохо сказывается на механизме сцепления. Второй минус – с нагрузкой заметно растет и расход бензина

На расход топлива следует обратить внимание. Если работа двигателя будет оптимальной, то он будет минимальным, но из-за загруженности дорог экономить в городе практически невозможно

Но у бензина есть свои плюсы, и один из них заключается в том, что даже при очень низких температурах топливо не нуждается в дополнительных присадках. А вот с дизельным все по другому. А еще, бензиновый легче запускается зимой, и требует меньшего времени на разогрев.

Также важный фактор это шум и вибрации мотора. И здесь, несомненно вырывается вперед бензиновый двигатель. А в дизельном двигателе воспламенение протекает под большим давлением, что значительно повышает вибрации, в результате чего и появляется рокот, который нельзя заглушить ни хорошей шумоизоляцией, ни демпферами.

Сравнение дизельного и бензинового двигателей

С точки зрения безопасности, бензомотор более пожаро- и взрывоопасен и требует более внимательного отношения к герметичности топливной системы и состоянию электрооборудования.

Что касается требования к качеству топлива, то бензиновый, более неприхотлив и , как правило, легко работает на топливе с более низким октановым числом. А вот дизельный двигатель всегда требует качественного топлива во избежание засорения топливного насоса и форсунок. Так же, дизель более требователен к состоянию и качеству фильтров и своевременности их замены, соответственно вынуждает автовладельца чаще обращаться в сервис.

Одно из возможных преимуществ ДТ – это цена на топливо, но соотношение цен отличается и сильно зависит от того в какой стране вы живете и где эксплуатируете авто.

Устройство ДВС

Конструктивно двигатели делят, с учетом устройства и компоновки техники, на которой они установлены. Но сохраняются неизменными принципы, одинаковые для конструкции любого ДВС.

Двигатель комплектуется такими конструктивными узлами:

• блоком цилиндров – основной частью корпуса с проемами для рабочих камер, рубашкой охлаждения (для моторов, охлаждаемых жидкостью), крепежными отверстиями для установки головок и картера, посадочными местами для коленчатого вала и прочими конструктивными элементами;
• кривошипно-шатунной группой – с коленчатым валом, к которому крепятся шатуны, приводящие в действие поршни, двигающиеся внутри цилиндров; инерция вращения поддерживается маховиком;
• газораспределительным механизмом – системой, подающей в камеры сгорания топливо-воздушную смесь, с отводом выхлопа; включает распределительный вал, клапана, приводимые в действие коромыслами, ремнем или цепью, соединенными с коленвалом;
• топливной системой – подает горючее в камеры сгорания, после обогащения воздухом; включает бак, систему трубок для подвода питающей жидкости, карбюратора или инжектора (с учетом особенностей конструктивного устройства), форсунок, насоса, фильтрующего элемента;
• смазочной системой – с подачей смазки к трущимся деталям; включает масляный насос, приводящийся коленчатым валом, систему патрубков и полостей, фильтр и поддон; предусмотрено устройство «сухого» или «мокрого» картера;
• системой зажигания – для поджигания топливно-воздушной смеси; используется только на бензиновых двигателях, поскольку на дизельных моторах топливо с воздухом воспламеняется самостоятельно, при определенном давлении;
• системой охлаждения – может быть воздушной или жидкостной, для снижения температуры корпуса мотора, чтобы предупредить износ и выход из строя элементов;
• электросистемой – источником электроэнергии, необходимой для работы мотора; включает аккумуляторную батарею, генераторный блок, стартер и проводку с датчиками;
• системой выхлопа – для удаления продуктов сгорания в атмосферу, с доочисткой этой смеси, снижением шума от работы двигателя, фильтрующим элементом.

Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.

С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:

• цилиндры могут выполняться отдельно, с запрессовкой в корпус блока, или совместно с корпусом; моноблочные системы не предусматривают восстановления, в связи с тем, что нельзя заменить гильзу;
• корпуса двигателей изготавливают из сплавов чугуна или алюминия, устойчивых к перепадам температуры и высокому давлению;
• головка блока цилиндров выполняется с ним совместно или в виде отдельной детали; при раздельном исполнении возможно использование разных материалов для головки и блока цилиндров;
• работа кривошипно-шатунного механизма может уравновешиваться балансирными валами, расположенными по сторонам от коленвала и нивелирующими влияние инерционных сил; в результате снижается вибрация и шум, исключаются перегрузки двигателя;
• негативное влияние пружин при быстрой работе двигателя с механическим газораспределительным механизмом снижается за счет десмодромной системы управления мотором – со сложной конфигурацией кулачков;
• зависание клапанов исключается легкими материалами для изготовления этих деталей и пружинных элементов, пневматическим приводом;
• альтернатива традиционной конструкции ГРМ – гильзовый способ, разработанный Найтом; предусматривает использование взамен клапанов скользящих гильз, работающих бесшумно и долговечно; этот способ перестали использовать по причинам большого расхода смазочной жидкости, с разработкой верхнеклапанной конструкции;
• ранние модели двигателей комплектовались не стартерами, а генераторами переменного тока (магнето), приводимыми в действие коленчатым валом; это требовало прокручивания вала двигателя для запуска;
• вредное воздействие на экологию выхлопных газов частично снижается каталитическим нейтрализатором, окисляющим и химически преобразовывающим выхлоп;
• электронные системы дополнительно улучшают работу двигателя; изменение фаз газораспределения изменяет нагрузку на мотор, с учетом включенной передачи, снижая потребление горючего; дезактивация цилиндров регулирует объем камер сжатия, отключая ненужные цилиндры; регулировка степени сжатия изменяет объем камер сгорания, с учетом режимов работы мотора.

Эти и другие особенности конструктивно улучшили работу двигателей внутреннего сгорания.

Устройство

И дизельный, и бензиновый агрегаты относятся к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а потому имеют сходное устройство. Основными конструктивными частями силовой установки на дизельном топливе являются такие:

1. Блок цилиндров. Основа любого двигателя. Используется для размещения всех систем и узлов силового агрегата. Различаются по трем основным параметрам – числу цилиндров, схеме их расположения и способу охлаждения. Как правило, количество цилиндров является четным, максимальное их число составляет 16. Чаще всего встречаются двигатели с 2-я, 4-я, 6-ю или 8-ю цилиндрами.

Важным элементом рассматриваемого узла является так называемая ГБЦ или головка блока цилиндров. Она создает закрытое пространство, в котором происходит непосредственное сжигание топливной смеси.

2. Кривошипно-шатунный механизм. Основное назначение этого узла двигателя – преобразование перемещения поршня внутри гильзы, являющегося возвратно-поступательным, в движение коленвала, которое относится к вращательным. Главной деталью механизма считается коленвал, подвижно соединенный с блоком цилиндров, что обеспечивает вращение вала.

Другая важная деталь – маховик, который крепится к одному из концов коленвала. Его задача – передать крутящий момент к другим узлам транспортного средства. Ко второму концу коленвала крепится шкив и приводная шестерня топливно-распределительной системы.

3. Цилиндропоршневая группа. Включает в себя цилиндры или гильзы, поршни или плунжеры, шатуны и поршневые пальцы. Отвечает за процесс сжигания топлива с последующей передачей образовавшейся энергии для дальнейших преобразований. Камера сжигания представляет собой пространство внутри гильзы, которое с одной стороны ограничивается ГБЦ, а с другой — поршнем. Главное требование к цилиндропоршневой группе дизельного двигателя – герметичность, прочность и долговечность.

4. Топливно-распределительная система. Функциональное назначение – своевременная подача горючего в камеры сгорания и отвод из двигателя продуктов сжигания топливно-воздушной смеси. В дизельном агрегате основу системы составляют два насоса. Первый из них – низкого давления – отвечает за перемещение горючего из бака к двигателю.

Назначение второго – ТНВД – несколько шире и заключается в определении нужного количества и времени впрыска топлива, а также в обеспечении необходимого уровня давления в камере сгорания. Именно топливный насос высокого давления и соединенные с ним форсунки являются ключевыми элементами дизельного двигателя, обеспечивающими его впечатляющие эксплуатационные и технические параметры.

5. Система смазки. Предназначается для уменьшения показателей трения между отдельными узлами и деталями силовой установки. В качестве смазочного материала используются как различные масла, так и, что характерно для отдельных механизмов, непосредственно дизельное топливо. Устройство системы смазки предусматривает наличие масляного насоса, различных емкостей и соединяющих трубопроводов.

6. Система охлаждения. Основное функциональное назначение данного элемента дизельного двигателя очевидно и состоит в поддержании такого уровня температуры, который является оптимальным для работающего агрегата. Для этого используются два метода – принудительный отвод тепла от узлов двигателя и охлаждение их при помощи воздуха или жидкости. В качестве последней обычно используется вода или антифриз.

7. Дополнительные узлы – турбина и интеркулер. Турбонаддув или турбонагнетатель позволяет увеличить давление в камере сгорания, что ведет к росту производительности двигателя. Интеркулер предназначен для дополнительного и более эффективного охлаждения горячего воздушного потока, который создается в процессе эксплуатации дизельного агрегата.

Отдельного упоминания заслуживает еще одна важная часть любого современного дизельного двигателя – электрооборудование и автоматика. Именно различные приборы управления и контроля над работой агрегата позволяют добиться главного преимущества, характерного для подобных силовых установок – высокого КПД.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

• 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;

Более детально узнать о назначении, устройстве и принципе работы карбюратора, вы можете здесь: Карбюратор: устройство и принцип работы
 

• 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 от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Плюсы двигателя внутреннего сгорания

• Малый вес мотора. В большинстве случаев подобные устройства не занимают много места, и весят достаточно легко. К тому же, объем топливных баков, также может располагаться в сравнительно маленьких пространствах.
• На одной заправке имеется возможность проехать большие расстояния. Это особенно актуально для водителей автобусов или дальнобойщиков. Постоянные остановки на дозаправку могли бы значительно отягощать и без того нелегкую работу водителей.
• Высокая мощность. Сегодня двигатели внутреннего сгорания могут обладать огромным запасом лошадиных сил. Все зависит от стоимости. Если у вас имеются крупные финансы, вы сможете купить себе монстра среди рядовых автомобилей. Но и прокормить его будет непросто. Бензин, в прямом смысле, начнет вылетать в трубу, что естественно, обойдется собственнику в копеечку.
• Простота в использовании. Разобраться в устройстве моторов сегодня может любой желающий, если приложит к этому некоторые усилия. Большинство из них имеют одинаковые системы, поняв, из чего состоит один двигатель, вы с легкостью сможете разобраться в любом другом.
• Возможность быстрой заправки. Количество заправочных станций сейчас настолько велико, что водителям не приходится опасаться за обсохший бак. Они расположены практически в любом населенном пункте, а длительность заправки не превышает 10 минут.
• Доступность. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания перестали быть редкостью. Они прочно вошли в нашу жизнь. Автосалоны предлагают потребителям любые машины на вкус и цвет. На вторичном рынке их стоимость настолько низкая, что их приобретают даже студенты и школьники.
• Большой ресурс работы. Современные моторы могут проработать без капитального ремонта десятки лет. К слову сказать, что надежность агрегатов потихоньку снижается, и все же остается на должном уровне вот уже многие годы.

Устройство бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Подробное рассмотрение классификации бензиновых двигателей внутреннего сгорания, их ключевых элементов, а также общего принципа функционирования будет произведено далее, сейчас же, для беглого ознакомления, в общих чертах будет представлен краткий обзор конструктива и функционала основных частей данного вида агрегатов.

Попадание воздушной смеси в камеру сгорания при подаче воздуха осуществляется параллельно с изменением вектора движения поршня в направлении верхней крайней точки. Первоначально, во время запуска двигателя от этой точки поршень и начинает свое движение к нижней крайней точке, благодаря поворачиванию коленчатого вала (коленвала).

За один оборот коленвала совершается ряд последовательных операций, а именно: поршень во время своего движения воздействует на топливовоздушную субстанцию, сжимая ее, после чего, при нахождении поршня в крайнем верхнем положении смесь принудительно поджигается. Расширяющиеся в процессе горения пары бензина заставляют поршень вновь устремиться к противоположной крайней отметке. Во время рабочего хода все клапаны блокируются.

Как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя?

Рассмотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска

Поршень 4 движется от в.м.т. к н.м.т. Над ним в полости цилиндра 1 создается разрежение. Впускной клапан 6 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 7 и карбюратор 8 сообщается с атмосферой.

Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух распыливает топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр.

Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня в н.м.т. К этому времени впускной клапан закрывается.

Такт сжатия

При дальнейшем повороте коленчатого вала 10 поршень движется от н.м.т. к в.м.т. В это время впускной 6 и выпускной 3 клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь.

В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. В конце такта сжатия между электродами свечи 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется.

В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в) и при помощи шатуна 9 вращает коленчатый вал 10, совершая полезную работу.

Такт выпуска

Когда поршень подходит к н.м.т., открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 2. Далее поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и выталкивает из цилиндра отработавшие газы.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — цилиндр, 2 — выпускная труба; 3 — выпускной клапан; 4 — поршень; 5 — искровая зажигательная свеча; 6 — впускной клапан; 7 — впускная труба; 8 — карбюратор; 9 — шатун; 10 — коленчатый вал.

Первый такт — впуск.

Поршень перемещается с ВМТ в НМТ. Освобождающаяся над поршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения.

Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь.

В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.

Работа четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

а — впуск в цилиндр горючей смеси; б — сжатие горючей смеси; в — расширение газов; г- выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — распределительный вал; 3-поршень; 4 — цилиндр; 5— впускной трубопровод; 6 — карбюратор; 7— впускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — выпускной трубопровод; 11-шатун; 12 — поршневой палец; 13 — поршневые кольца

Второй такт — сжатие.

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура — 600—700 К.

Третий такт — расширение.

В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая ооспл а меняется от искровою разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый в цилиндре воздух от адиабатического сжатия (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыление, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела.

Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что, в сочетании с длительным горением, обеспечивающим постоянное давление рабочего тела, благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50 % в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.