Классификация и назначение ДВС

Преимущества ДВС

1. Удобство . Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
2. Высокая скорость заправки двигателя топливом .
3. Длительный ресурс работы . Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
4. Компактность . Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Гибрид

Наука не стоит на месте, и в последние годы на рынке появилось большое количество автомобилей, оборудованных такой разновидностью ДВС, как гибрид. Новейшая технология отличается меньшей шумностью, потрясающей экономичностью, большой тяговитостью и долговечностью.

В основе гибридного мотора лежит обыкновенный бензиновый ДВС, поэтому в классификации нередко такие моторы ошибочно называют бензиновыми. Как правило, он оборудован топлива, а потому вместо устаревших карбюратора и инжектора здесь выступают высокотехнологичные форсунки с электронным управлением.

Второй, отличительной, частью гибридного мотора является наличие , подпитывающегося от основного ДВС. Так, бензиновый агрегат не только передает часть мощности колесам, но и посредством генератора заряжает мощный аккумулятор электродвигателя. Таким образом, на малых скоростях машина не потребляет топливо и двигается только за счет электрической части, а при повышении скорости обе части начинают работать совместно.

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.

Особенности работы и виды глушителей

В современных автомобилях используются два вида глушителей: резонансные и прямоточные. Оба могут устанавливаться в комплексе с резонатором (предварительным глушителем). В некоторых случаях прямоточная конструкция может заменять передний глушитель.

Устройство резонатора

Конструктивно резонатор глушителя, который также называют пламегасителем, представляет собой перфорированную трубу, находящуюся в герметичном корпусе, разделенном на несколько камер. Он состоит из следующих элементов:

• корпус (имеет цилиндрическую форму);
• теплоизоляционная прослойка (выхлопные газы имеют очень высокую температуру);
• глухая перегородка (для поворота потока газов);
• перфорированная труба;
• дроссель (позволяет изменять сечение потока отработавших газов).

Конструкция резонансного глушителя

Глушитель в разрезе В отличие от предварительного, главный резонансный глушитель устроен сложнее. Он состоит из нескольких перфорированных труб, установленных в общем корпусе, которые разделены перегородками и находятся на разных осях (см. рис. Глушитель в разрезе):

1. передняя труба с перфорацией;
2. задняя труба с перфорацией;
3. впускная труба;
4. передняя перегородка;
5. средняя перегородка;
6. задняя перегородка;
7. выпускная труба;
8. корпус (овального сечения).

Таким образом, резонансный глушитель использует все виды преобразования звуковых волн различных частот.

Особенности прямоточного глушителя

Основным недостатком резонансного глушителя является эффект создания противодавления, который возникает в результате перенаправления потока отработавших газов (при его столкновении с перегородками). В связи с этим многие автомобилисты выполняют тюнинг системы выхлопа, устанавливая прямоточный глушитель.

Прямоточный глушитель

Конструктивно прямоточный глушитель состоит из следующих элементов:

1. герметичный корпус;
2. выпускная и впускная труба;
3. труба с перфорацией;
4. шумоизоляционный материал – чаще всего используется стекловолокно, которое отличается устойчивостью к высоким температурам и хорошими звукопоглощающими свойствами.

На практике глушитель-прямоток имеет следующий принцип работы: через все камеры проходит одна перфорированная труба. Таким образом, гашение шума путем изменения направления и сечения потока газов отсутствует, а подавление шумов реализуется исключительно благодаря интерференции и поглощению.

За счет беспрепятственного прохождения выхлопа через прямоточный глушитель возникающее противодавление очень мало. Однако на практике большого прироста мощности это не обеспечивает (от 3% до 7%). С другой стороны, у автомобиля появляется характерное для спортивных автомобилей звучание, поскольку присутствующие в нем шумопоглощающие технологии устраняют только высокие частоты.

От того, как работает глушитель, зависит комфорт водителя, пассажиров и пешеходов. Так при длительной эксплуатации повышенный шум может причинять серьезные неудобства. На сегодняшний день установка в конструкции прямоточного глушителя для автомобиля, перемещающегося в городской черте, является административным нарушением, которое грозит штрафами и предписанием о демонтаже устройства. Связано это с превышением норм шума, заданных стандартами.

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

• поршневые;
• роторные;
• газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель

Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

В моторах этого вида реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротором является треугольный поршень, который вращается в овальной камере – статоре. Ротор закреплён на валу с эксцентриситетом. При таком расположении во время вращения ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 такта работы.

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых.  Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

Это – самый распространённый тип двигателя. Рассмотрим его принципиальную схему работы.

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Принцип работы

Машина с ДВС (двигателем) должна ездить, а для этого ей необходимо совершить механическое усилие. Именно его и производит двигатель, который передает вращательную силу на колеса автомобиля. Те вращаются, и транспортное средство начинает движение. Это очень примитивное объяснение, которое позволит лишь отдаленно понять, что это такое – ДВС в машине. Главная цель двигателя – преобразование бензина (или дизельного топлива) в механическое движение. Сегодня самый простой способ заставить автомобиль двигаться – это сжечь топливо внутри мотора. Именно поэтому двигатель внутреннего сгорания получил соответствующее название. Все они работают по одинаковому общему принципу, хотя есть некоторые разновидности: дизельные, с карбюраторными или инжекторными системами питания и так далее.

Итак, принцип мы поняли: топливо сгорает, высвобождает при этом большие объемы энергии, которые толкают механизмы в двигателе, что приводит к вращению коленчатого вала. Усилия затем передаются на колеса, и машина начинает движение. 

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации

Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта)

Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется  большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

Тепловой баланс двигателя

Разновидности ДВС какие существуют двигатели внутреннего сгорания

Из анализа рабочего цикла двигателя следует, что только часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, используется на полезную работу, остальная же часть составляет тепловые потери. Распределение теплоты, полученной при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называют тепловым балансом, который обычно определяется экспериментальным путем. Уравнение теплового баланса имеет вид Q=Qe+Qг+Qн.с+Qост, где Q — теплота топлива, введенная в двигатель Qe — теплота, превращенная в полезную работу; Qохл — теплота, потерянная охлаждающим агентом (водой или воздухом); Qг — теплота, потерянная с отработавшими газами; Qн.с — теплота, потерянная вследствие неполного сгорания топлива, Qост — остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтенных потерь.

Количество располагаемой (введенной) теплоты (кВт) Q=Gт*(Q^p)н. Теплота (кВт), превращенная в полезную работу, Qe=Ne. Теплота (кВт), потерянная с охлаждающей водой, Qохл=Gв*св*(t2-t1), где Gв — количество воды, проходящей через систему , кг/с; св – теплоемкость воды, кДж/(кг*К) [св=4.19 кДж/(кг*К)]; t2 и t1 — температуры воды при входе в систему и при выходе из нее, С.

Теплота (кВт), теряемая с отработавшими газами,

Qг=Gт*(Vp*срг*tг-Vв*срв*tв), где Gт — расход топлива, кг/с; Vг и Vв — расходы газов и воздуха, м^3/кг; срг и срв — средние объемные теплоемкости газов и воздуха при постоянном давлении, кДж/(м^3*К); tр и tв — температура отработавших газов и воздуха, С.

Теплота, теряемая вследствие неполноты сгорания топлива, определяется опытным путем.

Остаточный член теплового баланса (кВт) Qост=Q-(Qe+Qохл+Qг+Qн.с).

Тепловой баланс можно составить в процентах от всего количества введенной теплоты, тогда уравнение баланса примет вид: 100%=qe+qохл+qг+qн.с+qост, где qe=(Qe/Q*100%); qохл=(Qохл/Q)*100%;

qг=(Qг/Q)*100% и т.д.

Агрегат с твердым топливом

Классификация двигателей включает в себя еще один вид устройств. Эти агрегаты работают на слегка непривычном, твердом топливе

Тут важно отметить, что сфера применения этих двигателей также ракетная. В качестве основного вещества, являющегося топливом для этого устройства, стал порох

Особенность работы заключается в том, что агрегат работает до тех пор, пока не израсходует весь запас до конца. Сам же порох помещается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Такие устройства стали называть твердотопливными ракетными двигателями, или РДТТ.

Смотреть галерею

Тут важно отметить, что именно этот класс двигателей является одним из наиболее старых. К тому же именно этот тип устройств стал первым, который нашел свое практическое применение

Еще один важный факт заключается в том, что ранее в качестве топлива использовался дымный порох. С развитием технологий изменился и вид смеси. Людям удалось изобрести бездымный порох для применения в качестве топлива для ракетных двигателей.

Смотреть галерею

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

• Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
• Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.

  Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

• Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы

Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный