Двигатель внутреннего сгорания легкового автомобиля, устройство и принцип действия

Двигатель автомобиля
Обновлено:

Первые двигатели внутреннего сгорания, которые могли составить конкуренцию паровым машинам, пытались создать с начала 19-го века французские инженеры Филипп Лебон и Жан Этьен Ленуар, но только в 1864 году немецкий изобретатель Николаус Отто запатентовал свою модель двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на газу.

С тех пор конструкция двигателя постоянно совершенствовалась, и было разработано много видов ДВС, но автомобили, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, появились только в 1886 году, когда немец Карл Бенц запатентовал свой первый автомобиль с названием Motorwagen.

Двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением стали основными для использования в различных моделях автомобилей и совершили прорыв в развитии автомобильной промышленности. Устройство двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля будет описано в этой статье для непосвященных в этой теме читателей.

Содержание

классификация двигателей внутреннего сгорания

Виды двигателей внутреннего внутреннего сгорания автомобилей классифицируются по следующим признакам:

по способу осуществления рабочего цикла:

  • четырехтактные двигатели;
  • двухтактные двигатели.

по характеру движения рабочих частей

  • двигатели с возвратно-поступательным движением поршней;
  • роторно-поршневые двигатели (двигатели Ванкеля).

по расположению цилиндров

  • рядные двигатели;
  • оппозитные двигатели;
  • V-образные двигатели;
  • звездообразные двигатели.

Расположение цилиндров

по способу смесеобразования

  • с внешним смесеобразованием (вне камеры сгорания);
  • с внутренним смесеобразованием (в камере сгорания).

по способу воспламенения горючей смеси

  • бензиновые двигатели с принудительным воспламенением;
  • дизельные двигатели с воспламенением от сжатия.

по типу системы охлаждения

  • двигатели с жидкостным охлаждением;
  • двигатели с воздушным охлаждением.

по типу топлива

  • бензиновый двигатель;
  • дизельный двигатель;
  • двигатель, работающий на газе.

по расположению распредвала(-ов)

  • двигатель с верхним расположением распредвала(-ов);
  • двигатель с нижним расположением распредвала(-ов).

по способу наполнения цилиндров

  • двигатели без наддува («атмосферные»);
  • двигатели с наддувом.

Четырехтактный бензиновый двигатель

Четырехтактный бензиновый двигатель состоит из трех основных блоков:

  1. Блок цилиндров.
  2. Головка блока цилиндров.
  3. Кривошипно-шатунный механизм.

Возвратно-поступательное движение поршней кривошипно-шатунного механизма обеспечивает наполнение камеры сгорания топливо-воздушной смесью, сжатием и принудительным воспламенением.

В процессе сгорания топлива, выделяемая тепловая энергия преобразуется в механическую за счет увеличения давления в камере сгорания, которое заставляет поршень перемещаться и приводить в движение кривошипно-шатунный механизм двигателя.

Четырехтактный дизельный двигатель

Принцип работы и основные блоки четырехтактного дизельного двигателя аналогичны бензиновому двигателю, с той разницей, что образование топливно-воздушной смеси осуществляется непосредственно в камере сгорания, а воспламенение смеси происходит из-за нагрева при сжатии.

За счет меньшей температуры горения дизельного топлива, и соответственно тепловыделения, КПД дизельного двигателя внутреннего сгорания автомобиля выше, чем у бензинового.

Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

Роторно-поршневой двигатель (РПД) ванкеля включает в себя нескольких роторов, которые расположенных друг за другом. Роторы имеют специальную треугольную форму и вращаются в овальной полости. Описывающая полость кривая называется эпитрохоидой.

Двигатель Ванкеля

Рабочая полость смещается вместе с ротором вдоль стенки корпуса. За один оборот вала, совершается один рабочий цикл четырехтактного ДВС. Реализована щелевая схема газообмена, применяемая на 2-х тактных двигателях внутреннего сгорания. Воспламенение топливо-воздушной смеси происходит принудительно от свечи зажигания.

При меньших геометрических размерах двигателя, мощностные характеристики РПД значительно выше чем у ДВС, за счет меньшей инерционной массы и количества движущихся деталей.

Применение роторно-поршневых двигателей ограничено высокой стоимостью изготовления, ремонта, расхода топлива и меньшего моторесурса, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

Бензиновый двигатель с впрыском во впускной коллектор

Рабочий цикл бензинового двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов:

  1. Впуск.
  2. Сжатие.
  3. Рабочий ход.
  4. Выпуск.

Впуск

При перемещении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в цилиндре создается разряжение, за счет которого происходит его наполнение топливно-воздушной смесью через открытый впускной клапан.

Впускной клапан открывается раньше нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и закрывается позже, после прохождения поршнем нижнюю мертвую точку (НМТ) для улучшения наполнения цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью.

Сжатие

При перемещении из НМТ в ВМТ, когда оба клапана закрыты, происходит сжатие при котором топливо-воздушная смесь нагревается и распыленное топливо принимает газообразное состояние.

Рабочий ход

Сжатая топливовоздушная смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. В процессе сгорания освобождающаяся теплота повышает давление в цилиндре, под действием которого поршень перемещается вниз.

Выпуск

Перед НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы, под действием остаточного давления, выходят из цилиндра. При дальнейшем перемещении поршня из НМТ в ВМТ через открытый выпускной клапан происходит вытеснение остаточных выхлопных газов. Рабочий цикл завершается.

При вытеснении отработавших газов и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью, чтобы улучшить газообмен, выпускной клапан закрывается за ВМТ, одновременно впускной клапан открывается до ВМТ. Такое положение клапанов, когда они оба открыты, называют перекрытием клапанов.

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском

В системах непосредственного впрыска топлива, в бензиновых двигателях в фазе впуска в цилиндры поступает воздух, а топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания во время такта впуска или сжатия, в зависимости от режима работы ДВС.

Дизельный двигатель

Рабочий цикл дизельного двигателя внутреннего сгорания состоит из 4-х тактов:

  1. Впуск.
  2. Сжатие.
  3. Рабочий ход.
  4. Выпуск.

Впуск

При перемещении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в цилиндре создается разряжение, за счет которого происходит его наполнение воздухом через открытый впускной клапан.

Впускной клапан открывается раньше нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и закрывается позже, после прохождения поршнем нижнюю мертвую точку (НМТ) для улучшения наполнения цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью.

Сжатие

При перемещении из НМТ в ВМТ, когда оба клапана закрыты, происходит сжатие при котором в конце такта сжатия форсунка впрыскивает в нагретый воздух топливо под высоким давлением.

Рабочий ход

С небольшим запаздыванием топливо воспламеняется, в процессе сгорания, освобождающаяся теплота повышает давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, под действием которого, поршень перемещается вниз.

Выпуск

Перед НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы, под действием остаточного давления, выходят из цилиндра. При дальнейшем перемещении поршня из НМТ в ВМТ через открытый выпускной клапан происходит вытеснение остаточных выхлопных газов. Рабочий цикл завершается.

При вытеснении отработавших газов и наполнения цилиндра воздухом, чтобы улучшить газообмен, выпускной клапан закрывается за ВМТ, одновременно впускной клапан открывается до ВМТ. Такое положение клапанов, когда они оба открыты, называют перекрытием клапанов.

Кривошипно-шатунный механизм

Назначение кривошипно-шатунного механизма двигателя, преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих частей:

  • поршень,
  • шатун,
  • коленчатый вал.

Шатунный механизм

Нумерация цилиндров

Цилиндры двигателей нумеруются по единому стандарту. Первый цилиндр находится, со стороны, противоположной стороне, к которой пристыковывается коробка передач. Исключением являются двигатели французского производства.

Нумерация цилиндров

Нумерация цилиндров V-образных двигателей начинается с правого полублока, если смотреть со стороны, к которой подсоединяется коробка передач.

Направление вращения двигателя

Существуют двигатели внутреннего сгорания с правым и левым направлением вращения коленчатого вала, если смотреть с передней части двигателя. На рисунке изображены двигатели с правым направлением вращения. Распространение получили двигатели с правым направлением вращения.

Направление вращения

Характеристики двигателя

Диаметр цилиндра и ход поршня

Характеристики двигателя

Рабочий объем

Рабочий объем

Объем камеры сгорания

Камера сгорания

Полный объем цилиндра

Объем цилиндра

Степень сжатия

Степень сжатия - это отношение полного объема цилиндра (рабочий объем Vh + объем камеры сгорания Vc) к объему камеры сгорания Vc. Величина степени сжатия определяется математически.

Степень сжатия

Степень сжатия оказывает влияние на:

  • характеристики холодного пуска двигателя;
  • развиваемый двигателем крутящий момент;
  • расход топлива;
  • шумность;
  • токсичность отработавших газов.

В зависимости от конструкции двигателя и типа смесеобразования степень сжатия может составлять:

  • для бензиновых двигателей: 7:1 ... 13:1;
  • для дизельных двигателей: 16:1 ... 24:1.

Чем выше степень сжатия, тем эффективнее используется энергия сгорания топлива и соответственно выше КПД двигателя.

Факторы влияющие на ограничение степени сжатия:

  • Бензиновые двигатели - так как. с увеличением степени сжатия растет температура, в конце такта сжатия топливо может самовоспламениться. Самовоспламенение проявляется в виде детонационных стуков. Увеличение степени сжатия ограничивается качеством (октановым числом) применяемого топлива.
  • Дизельные двигатели - степень сжатия ограничена определенными величинами. При превышении порогового значения, прекращается рост мощности и растет вероятность повреждений двигателя, например: может быть превышено максимально допустимое давление на головку блока цилиндров, а механическая перегрузка, может привести к повреждениям кривошипно-шатунного механизма.

Форма камеры сгорания

Форма камеры сгорания оказывает значительное влияние на процесс сгорания, она должна обеспечивать быстрое и эффективное наполнение, а также надлежащую турбулентность топливо-воздушной смеси.

Камера сгорания должна быть компактной - это обуславливает короткий путь фронта пламени и обеспечивает быстрое удаление отработавших газов.

Форма камеры сгорания бензинового двигателя

В современных бензиновых двигателях с 4 клапанами на цилиндр наибольшее распространение получили камеры сгорания шатрового типа.

Камера сгорания

Малый размер верхней части шатровой камеры сгорания уменьшает потери теплоты. От размеров камеры сгорания зависит степень сжатия. Установка двух впускных и двух выпускных клапанов обеспечивает большие суммарные проходные сечения впускных и выпускных каналов, что обуславливает хороший газообмен.

Форма камеры сгорания дизельного двигателя

Форма камеры сгорания дизельного двигателя зависит от способа организации рабочего процесса при впрыске. У дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания, значительную часть камеры сгорания составляет предкамера или вихревая камера.

У дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания (дизели с непосредственным впрыском топлива) большая часть камеры сгорания находится в выполненном в поршне углублении.

Число оборотов двигателя

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. Число оборотов коленчатого вала в минуту называется числом оборотов двигателя.

Обороты двигателя

Крутящий момент

Крутящий момент можно развить, приложив некоторую силу (F) на плече рычага (l) (крутящий момент = сила х плечо), то есть: M = F x l.

Крутящий момент

Крутящий момент увеличивается при увеличении прилагаемой силы и при увеличении длины плеча, измеряется в Нм.

Мощность

Развиваемая мощность двигателя внутреннего сгорания пропорциональна его крутящему моменту (M) и числу оборотов (n), она определяется как произведение (P) = крутящего момента (M) на число оборотов (n)/9550.

Мощность двигателя

При использовании этой формулы вычисляемая мощность двигателя внутреннего сгорания будет получена в кВт (согласно нормам ЕС). Значение в лошадиных силах обычно указывается в скобках.

Внешние скоростные характеристики двигателя

Внешние скоростные характеристики содержат информацию об изменении мощности и крутящего момента в зависимости от оборотов двигателя. Эти графики получаются при испытании двигателя на стенде.

Бензиновый двигатель

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания характеризуются большей мощностью, чем дизельные, несмотря на то, что крутящий момент несколько ниже. Большая мощность таких двигателей достигается путем увеличения частоты вращения.

Дизельный двигатель

Дизельные двигатели внутреннего сгорания характеризуются высоким крутящим моментом на низких оборотах, это достигается за счет высокого давления при сгорании. По сравнению с бензиновыми, дизельные двигатели имеют меньшую мощность, так как работают на более низких оборотах.

График параметров

Сравнение бензинового и дизельного двигателей

В таблице показаны различия бензинового и дизельного двигателей в разных тактах рабочего цикла.

Таблица сравнения

Устройство двигателя

Головка блока цилиндров (ГБЦ)

Головка блока цилиндров обеспечивает герметизацию цилиндров сверху. ГБЦ образует камеры сгорания. В ГБЦ устанавливаются свечи зажигания (бензиновые двигатели) или форсунки (дизельные двигатели). В ГБЦ размещены впускные и выпускные каналы, клапаны и другие элементы клапанного механизма.

Головка цилиндров

Из-за контакта с раскаленными газами ГБЦ испытывает термические напряжения и, зависимости от типа системы охлаждения, ГБЦ выполнены с оребрением (для воздушного охлаждения) или с каналами для протока охлаждающей жидкости (ОЖ). ГБЦ изготавливают из термостойкого серого чугуна или из легких сплавов, которые обладают хорошей теплопроводностью.

Прокладка головки блока цилиндров

Прокладка обеспечивает газо-водонепроницаемое соединение между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров, кроме того, прокладка компенсирует незначительные неровности привалочных плоскостей, поэтому она изготавливается из мягких материалов.

Прокладка головки

Для компенсации допусков при изготовлении или выступания поршней для определенных вариантов двигателей (дизельных), доступны прокладки головок блока цилиндров разной толщины. Чтобы отличить такие прокладки друг от друга, на них наносят метки (отверстия, пазы и т.д.).

Применяются прокладки ГБЦ следующей конструкции: несущая металлическая пластина с накладками из мягкого материала, мягкий материал, армированный металлом, металлическая сетка с накладками из мягкого материала, полностью металлическая прокладка.

Болты головки блока цилиндров

Болты крепления головки блока цилиндров предназначены для надежного соединения ГБЦ, прокладки ГБЦ и блока цилиндров. Порядок затяжки болтов указан в руководствах по ремонту и его следует обязательно придерживаться.

Болты головки

Затяжка болтов обязательно производится динамометрическим ключом в несколько этапов. При затяжке, предусматривающей нагружение болтов до текучести, на последнем этапе используется ключ для поворота болтов на определенный угол.

Распределительный вал

Распредвал (или распредвалы в ГБЦ, имеющих более 2 клапанов на цилиндр) приводит/приводят клапаны. Распредвал (-ы) приводится (-ятся) от коленчатого вала. Его (их) частота вращения равна половине частоты вращения коленчатого вала.

Распределительный вал

Моменты открытия или закрытия клапанов определяются положением распредвала (-ов). Привод распредвала (-ов) осуществляется зубчатыми колесами, цепями или зубчатыми ремнями. Двигатели с двумя клапанами на цилиндр, в большинстве случаев, имеют по одному распредвалу на ряд цилиндров.

В двигателях с головками, имеющими более 2 клапанов на цилиндр, клапана сгруппированы в два ряда и установлены два распредвала. Распределительные валы изготавливаются из ковкой стали или из ковкого чугуна, или из чугуна с шаровидным графитом.

Форма кулачков

Форма кулачка (профиль) определяет время открытия клапана, его ход и характеристики процесса перемещения клапана при открытии и закрытии. Кулачок с заостренным профилем открывает и закрывает клапан медленно. при этом время полного открытия клапана относительно невелико.

Кулачки распредвала

Кулачок с резким подъемом профиля открывает и закрывает клапан быстрее и больше удерживает его в полностью открытом состоянии. Кулачки с резким подъемом профиля способствуют хорошему газообмену. Они подвержены более сильным нагрузкам по сравнению с кулачками с заостренным профилем.

Часто кулачки имеют асимметричную форму. У таких кулачков часть профиля, определяющая открытие клапана, имеет плоскую форму (для медленного открытия клапана), а часть профиля, определяющая закрытие клапана, имеет резкий подъем (для более продолжительного полного открытия и быстрого закрытия клапана).

Клапаны

Назначение клапанов открывать впускные и выпускные каналы во время газообмена и закрывать их во время тактов сжатия и расширения (рабочего хода). При этом клапаны подвергаются высоким термическим нагрузкам,несмотря на то, что впускной клапан охлаждается поступающим в цилиндр воздухом (или топливо-воздушной смесью), он нагревается до 500°C.

Клапана двигателя

В связи с тем, что выпускной клапан омывается раскаленными газами из камеры сгорания, он нагревается до 800 °C (тарелка клапана). Тарелка выпускного клапана в обычно имеет меньший диаметр, чем у впускного. Это объясняется тем, что отработавшие газы под давлением легко выходят из камеры сгорания даже при меньшем, по сравнению со впускным клапаном, проходном сечении.

Конструкция

Клапан состоит из тарелки и штока. Тарелка клапана, прилегая к седлу в головке блока цилиндров, создает газонепроницаемое соединение и закрывает камеру сгорания. На конце штока клапана могут быть выполнены специальные отверстия, одна или несколько кольцевых проточек, предназначенных для фиксации сухарей.

Конструкция клапана

Под действием усилия, передаваемого от тарелки пружины клапана, сухари прижимаются к отверстиям или кольцевым проточкам на штоке клапана. Из-за высоких механических нагрузок на фаски клапанов и на концы их штоков наплавляется высокопрочный легированный сплав. Этот слой образует жаростойкое твердосплавное покрытие.

Биметаллические клапаны

Выпускные клапаны подвергаются особенно сильной термической нагрузке, поэтому их, как правило, выполняют биметаллическими. При работе двигателя находящийся внутри клапана натрий расплавляется.

Биметаллический клапан

Расплавленный металл направляет тепло от тарелки клапана к его штоку. Тепло от штока передается к ГБЦ. Для оптимизации отвода тепла температура выпускного клапана может быть снижена на 80°C и составляет 150°C.

Седло клапана

Седло клапана в ГБЦ растачивается, фрезеруется или шлифуется таким образом, чтобы ширина поверхности контакта с тарелкой клапана составляла 1,5 - 2 мм.

Седло клапана

Седло может быть отфрезеровано непосредственно в ГБЦ или изготовлено в виде отдельной детали и запрессовано в ГБЦ.

Механизм привода клапанов

Коромысло

Механизм привода клапанов с коромыслами и штангами является обычным для V-образных двигателей старой конструкции и двигателей с нижним расположением распредвала.

Привод клапанов

Большое число движущихся деталей препятствует работе двигателей с такими механизмами на высоких оборотах. Этому недостатку меньше подвержена конструкция с верхним расположением распредвала, толкателем и коромыслом. В механизме удалены длинные штанги.

Толкатель

Конструкция с установленным сверху распредвалом и толкателем имеет меньше движущихся частей и позволяет создать более быстроходные двигатели, кроме того, такая конструкция весьма компактна и завоевала признание при создании двигателей более чем с двумя клапанами на цилиндр.

Верхний распредвал

Рычаг клапана

Конструкция с рычагом клапана имеет относительно малое количество деталей, является довольно компактной и обеспечивает высокую частоту вращения двигателя.

Рычаг клапана

Виды толкателей

Основной задачей толкателя является передача на клапан осевой силы от кулачка. В зависимости от конструкции двигателя он сам непосредственно передает силу или это происходит с помощью рычага клапана или штанги и коромысла.

Еще одна задача толкателя - восприятие боковой силы от кулачка (т.е. «защита» клапана от этой боковой силы). Это возможно, т.к. толкатель устанавливается в направляющей. Различают механические (простые) и гидравлические толкатели.

Тепловой зазор клапана

При работе двигателя впускные и выпускные клапаны удлиняются в зависимости от роста температуры и материала, из которого они изготовлены. Кроме того, с течением времени из-за износа изменяются размеры деталей механизма привода клапана.

Тепловой зазор

Поэтому, чтобы обеспечить надежное закрытие клапана при любом состоянии и режиме работы двигателя, между деталями механизма привода клапана предусматривается зазор.

Обычно на холодном двигателе такой зазор больше, чем на прогретом. Зазор выпускных клапанов обычно больше, чем впускных. Это обусловлено более высокой температурой выпускных клапанов.

Тепловой зазор клапана слишком мал

Клапан открывается раньше, а закрывается позднее. Из-за сокращения времени контакта тарелки клапана с седлом сокращается отвод тепла, выпускной клапан может стать слишком горячим, кроме того, при слишком маленьком тепловом зазоре возможна ситуация, когда выпускной или впускной клапан закрывается не полностью.

Через образовавшуюся за счет неплотного закрытия выпускного клапана щель в камеру сгорания засасываются отработавшие газы; подобная ситуация для впускного клапана оборачивается обратными вспышками во впускном коллекторе.

Камера сгорания теряет герметичность, двигатель не может развить надлежащую мощность. Клапаны перегреваются из-за постоянного контакта с горячими отработавшими газами, в результате подгорают фаски тарелок и седла.

Тепловой зазор клапана слишком велик

Клапан открывается позднее, а закрывается раньше. Поэтому сокращается время его открытия и уменьшается проходное сечение, что приводит к ухудшению наполнения и падению мощности. Повышается механическая нагрузка на клапан и усиливаются шумы от работы клапана.

Регулировка зазоров клапанов

Процедура регулировки зазоров может быть различной для разных двигателей того или иного производителя. В зависимости от предписаний, она может проводится на холодном или на прогретом, а также на остановленном или на работающем на холостом ходу двигателе.

Механизм привода

Например, на механизме, приводящем клапан непосредственно через толкатель, регулировка осуществляется подбором толщины регулировочной шайбы. Высокое качество материалов, применяемых в настоящее время при изготовлении деталей, позволяет избежать регулировки зазоров клапанов при обычном техническом обслуживании.

В случае ремонта возможно потребуется их регулировка. Еще один вариант регулировки - с помощью механических толкателей с различной толщиной днища. При регулировке зазора клапанов заменяют толкатель в сборе.

Гидравлические толкатели (гидрокомпенсаторы)

Помимо выполнения стандартных функций гидравлические толкатели призваны компенсировать зазоры клапанов. Они компенсируют изменения размеров, вызванные нагревом и износом деталей, следовательно, в регулировке зазоров клапанов отсутствует необходимость.

Гидравлический толкатель

Полость гидрокомпенсатора соединена с системой смазки двигателя. Днище корпуса толкателя имеет углубление, через которое масло поступает в надплунжерную полость. Кулачок распредвала, повернутый к толкателю тыльной стороной, не передает на него усилие и плунжерная пружина выдвигает плунжер вверх, выбирая зазор.

Таким образом, толкатель все время прилегает к поверхности кулачка. При перемещении плунжера вверх в подплунжерной (рабочей) полости образуется разрежение. Под его действием открывается шариковый клапан. Масло может перетекать из надплунжерной полости в подплунжерную (рабочую).

Если обращенный вниз кулачок начинает давить на толкатель, то эта сила передается на плунжер - давление в подплунжерной (рабочей) полости возрастает и шариковый клапан закрывается. Масло (как и всякая жидкость) в замкнутой рабочей полости практически не сжимается, поэтому толкатель под нагрузкой работает практически как цельная, не упругая деталь и клапан открывается.

Цилиндр и блок цилиндров

Цилиндр служит направляющей для движения поршня и отвода тепла возникающего во время сгорания топливно-воздушной смеси. Сгорание в цилиндре происходит в пространстве между головкой блока цилиндров и поршнем. Уплотнение поршня в цилиндре реализуется за счет поршневых колец.

Блок двигателя

Существуют различные конструкции цилиндров, как отдельные, так и объединенные в блок цилиндров. Охлаждение цилиндров происходит за счет воздушного или жидкостного охлаждения. Воздушное охлаждение цилиндров применяется очень редко - в основном все современные автомобили имеют жидкостное охлаждение.

Изготавливаются блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания из чугуна или сплава легких металлов методом литья. Цилиндры могут быть выполнены непосредственно в корпусе блока. В блоки из легкосплавных металлов, из-за их меньшей прочности, устанавливаются гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания с двумя различными вариантами охлаждения.

Мокрые гильзы

При такой конструкции гильз охлаждение происходит за счет непосредственного контакта охлаждающей жидкости с гильзой.

Мокрые гильзы

Преимуществом блока с “мокрыми” гильзами, является простой ремонт по замене гильз и отсутствие необходимости замены поршней. Недостаток - склонность к коррозии и низкая прочность блока цилиндров.

Сухие гильзы

Сухие гильзы запрессовывают в блок цилиндров и непосредственного контакта с охлаждающей нет. При запрессовке “сухих” гильз используют эффект сжатия/расширения при изменении температуры.

Сухие гильзы

Охлажденную гильзу устанавливают в нагретый блок цилиндров, что облегчает запрессовку, но извлечь их из блока цилиндров без повреждения уже невозможно. При ремонте блока цилиндров, гильзы растачивают и устанавливают поршни с уплотнительными кольцами ремонтного размера.

Поршень и шатун

Поршень предназначен для восприятия силы давления газов сгорания топливо-воздушной смеси и передачи этой силы на коленчатый вал посредством шатуна с поршневым пальцем. Поршень должен быть как можно более легким, чтобы минимизировать силы инерции, возникающие при работе двигателя.

Поршень с шатуном

Он должен быть устойчив к термическим нагрузкам, обусловленным воздействием раскаленных отработавших газов, и отводить часть тепла, при этом, его тепловое расширение должно быть минимальным, чтобы предотвратить заклинивание в цилиндре (задир).

Конструкция поршня

Конструкция поршня

Основные элементы конструкции поршня:

  • Жаровой пояс - область от верхней кромки поршня до зоны поршневых колец подвержена особенно высоким термическим нагрузкам, и, соответственно, называется жаровым поясом.
  • Днище поршня - часть поршня, которая подвержена наибольшим нагрузкам от давления и температуры.
  • Зона поршневых колец - в этой зоне размещены различные поршневые кольца для надлежащей герметизации цилиндра. С одной стороны, они препятствуют прорыву отработавших газов в картер двигателя, с другой стороны, они не допускают попадание моторного масла в камеру сгорания. Попадание масла в камеру сгорания характеризуется синим дымом выхлопа и высокими нагрузками на каталитический нейтрализатор.
  • Юбка - служит направляющей при движении поршня в цилиндре.
  • Бобышки с отверстиями под поршневой палец. В отверстия устанавливается поршневой палец, который служит для соединения поршня с шатуном. Поршневой палец фиксируется в поршне с помощью стопорных колец либо устанавливается в шатуне с натягом, обусловленным тепловым сжатием/расширением деталей в момент установки.

Виды поршней

Различают два типа поршней:

  1. Поршень со сплошной юбкой, выполненный целиком из одного сплава.
  2. Терморегулируемый поршень с поперечным разрезом.

Юбка поршня

Терморегулируемый поршень с поперечным разрезом

Для уменьшения температурного расширения в этот поршень встроена терморегулирующая стальная пластина. На температурное расширение также влияет разрез поршня.

Разновидность поршней

Сильно нагруженные зоны поршня могут быть усилены встроенными частями из специального чугуна. Существуют также поршни с охлаждающими каналами в днище, масло в которые подается с помощью форсунок.

Силы воздействующие на поршень

Давление в камере сгорания бензинового двигателя при рабочем ходе на 6000 об/мин составляет 75 бар. Это давление воздействует на поршень с силой примерно в 5т с частотой примерно пятьдесят раз в секунду.

Под действием этой нагрузки поршень прилегает к той стенке цилиндра, которая находится напротив шатунной шейки коленчатого вала, поэтому эта сторона цилиндра подвержена наибольшему износу.

Сила воздействия

Для нейтрализации такого эффекта ось поршневого пальца немного смещают от центра поршня к нагружаемой стенке (смещение составляет 1 – 2% от диаметра поршня). Эту величину называют смещением оси поршневого пальца.

При такой конструкции поршень прилегает к нагружаемой стенке уже в момент такта сжатия, таким образом, поршень в последствии не ударяется о стенку цилиндра под действием давления газов воспламеняющейся топливо-воздушной смеси.

Температурная нагрузка поршня

При работе двигателя юбка поршня нагревается до 150°C, а днище до 350°C. Такой неравномерный нагрев вызывает неравномерную тепловую деформацию поршня, которая может привести к его заклиниванию в цилиндре.

Поршень должен иметь такую конструкцию, которая позволяла бы ему принимать цилиндрическую форму при достижении рабочей температуры.

Размеры поршня

Для компенсации неравномерной тепловой деформации поршень должен иметь эллипсоидное сечение (больший размер эллипса по оси, перпендикулярной оси поршневого пальца), кроме того, верхняя часть поршня должна быть уже нижней, чтобы компенсировать большее тепловое расширение в области днища поршня.

Поршневые кольца

Поршневые кольца должны быть упругими и не изменять своей формы при установке на поршень. Они герметизируют картер двигателя от прорыва газов из камеры сгорания и отводят тепло от поршня к стенкам цилиндра.

Сила прижатия кольца к стенкам цилиндра увеличивается за счет силы от давления газов, прилагаемой по внутреннему диаметру кольца.

Поршневые кольца

Поршневые кольца изготавливаются из чугуна или высоколегированной стали. Для усиления коррозионной стойкости и износоустойчивости они могут подвергаться твердому хромированию. Различают два вида поршневых колец:

  • Компрессионные кольца,
  • Маслосъемные кольца.

Компрессионные кольца

Компрессионные кольца устанавливаются сверху, ближе к днищу поршня. Они предназначены для надлежащей герметизации камеры сгорания. Компрессионные кольца бывают цилиндрическими (низкая стоимость изготовления), имеющими внутреннюю фаску и коническими (оба этих кольца быстро прирабатываются, т.к. имеют небольшую поверхность контакта со стенками цилиндра).

Компрессионные кольца

Существуют также компрессионные кольца с трапециевидным сечением (не устанавливаются жестко в канавке), кольца с L-образным сечением (с увеличенной силой прижатия к стенкам цилиндра за счет давления газов) и с обращенной вниз ступенькой (с маслосъемным действием).

Маслосъемные кольца

Установленные ниже кольца являются маслосъемными, они препятствуют попаданию масла в камеру сгорания.

Маслосъемные кольца

Маслосъемные кольца бывают коробчатыми с прорезями (с отводом масла внутрь поршня), а также кольца с расширителем или кольцевой пружиной (имеют малую поверхность контакта для увеличения силы прижатия).

Шатун

Шатун соединяет поршень и коленчатый вал. На шатун воздействуют сильные знакопеременные растягивающие и сжимающие, а также изгибающие нагрузки. Сечение в форме швеллера позволяет шатуну надлежащим образом сопротивляться этим нагрузкам.

Устройство шатуна

В верхней головке шатуна устанавливается поршневой палец. Нижняя головка шатуна, ее крышка и оба вкладыша устанавливаются на шатунной шейке коленчатого вала.

Шатуны изготавливают большей частью ковкой в штампах из стали с последующей термической обработкой (улучшением). Для небольших двигателях применяют шатуны из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Установка шатунных вкладышей

Для фиксации положения вкладышей коленчатого вала на них предусмотрены специальные выступы, крышка центрируется относительно шатуна с помощью втулок.

Установка вкладышей

Существую также шатуны и крышки, разъем между которыми выполняется методом разлома. Это повышает точность совмещения шатуна и крышки.

Коленчатый вал

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания преобразует линейное перемещение шатунов во вращательное движение и соответственно крутящий момент.

Основная часть крутящего момента кривошипно шатунного механизма ДВС передается на маховик, остальная необходима для привода газораспределительного механизма, масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости и навесных агрегатов, таких как, генератор, компрессор кондиционера и т. д.

Коленчатый вал

Коленчатые валы изготавливаются методом литья или ковкой в специальных штампах. Для увеличения прочности, ковка металла происходит по непрерывной линии для монолитной конструкции коленвала. Для изготовления используют легированную сталь с хромом, ванадием и молибденом.

Места установки коренных и шатунных вкладышей упрочняются и шлифуются. В зависимости от типа двигателя и количества цилиндров, коленвалы имеют различную форму. Опорой коленчатого вала являются коренные шейки расположенные на одной оси.

Шатуны подсоединяются к шатунным шейкам, расположенных под разными углами и эксцентриситетом относительно оси коленчатого вала. Через каналы в коленчатом валу к коренным и шатунным вкладышам подается масло.

Существуют неразъемные и составные коленчатые валы, из-за различных видов повышенных нагрузок, таких как, работа на изгиб и кручение, в двигателях легковых автомобилей используют неразъемные коленчатые валы.

Для уменьшения крутильных колебаний осуществляется балансировка коленвала удалением металла на противовесах. К балансировке коленвала предъявляют повышенные требования.

Все одинаковые детали кривошипно шатунного механизма двигателя должны иметь минимально возможное расхождение по весу

.

Коренные подшипники

Для обеспечения вращения коленчатого вала с минимальным трением и установки в необходимом положении, используют подшипники скольжения из составных вкладышей. Для исключения продольного перемещения применяют упорные вкладыши.

Коренной подшипник

Для длительного срока службы и поддержания необходимого давления масла необходим точный зазор в подшипниках регламентированный заводом изготовителем. Если зазор выше нормы, то из-за уменьшения смазывающей способности происходит повышенный износ и выход подшипника из строя.

Смазка подшипников скольжения

Масло под давлением, создаваемым масляным насосом, через каналы коленчатого вала подается к подшипникам скольжения.

Смазка подшипников

Между вкладышами и шейкой коленвала образуется маслянная пленка исключающая соприкосновение металлических частей во время вращения коленвала. Такой эффект называют масляным клином.

Балансирные валы

Во время работы кривошипно-шатунного механизма из-за сил инерции возникают колебания, которые негативно сказываются на плавность работы двигателя и комфорт пассажиров.

Балансирные валы

Для компенсации колебаний и улучшения плавности работы двигателя используют балансирные валы, которые приводятся в движение через цилиндрические зубчатые колеса или цепной передачей.

Маховик

Маховик сохраняет кинетическую энергию, полученную при рабочем ходе, а затем отдает ее. Этот принцип уменьшает неравномерность вращения коленчатого вала, вызванную наличием в рабочем цикле тактов, при которых не производится полезная работа, и прохождением мертвых точек.

Маховик двигателя

На большинстве маховиков устанавливается зубчатый венец (сажается с натягом или привинчивается), с которым входит в зацепление шестерня стартера при запуске двигателя. От маховика момент передается на сцепление, которое передает его на коробку передач.

Маховики изготавливаются из стали или специального чугуна. Маховик проходит динамическую балансировку в сборе с коленчатым валом, это предотвращает возникновения колебаний на больших частотах вращения.

Если не предпринять данной меры, коленчатый вал вращался бы неравномерно, что сопровождалось бы повышенными нагрузками на сам вал и подшипники.

Привод ГРМ с помощью цилиндрических зубчатых колес

В этом случае привод распределительного вала от коленчатого вала осуществляется с помощью набора цилиндрических шестерен.

Привод ГРМ

Такой тип привода нашел свое применение преимущественно на двигателях старой конструкции (двигатели с нижним расположением распредвала, V-образные двигатели). Шестерни выполняют косозубыми — это уменьшает шум от работы передачи.

Цепной привод ГРМ

Распределительный вал в этом случае приводится с помощью цепи, используются как однорядные, так и многорядные цепи.

Цепной привод

Цепь в большинстве случаев натягивается гидравлическим натяжителем, который использует для своей работы давление в системе смазки двигателя. Для уменьшения колебаний и шумов применяются успокоители цепи.

Привод ГРМ зубчатым ремнем

Привод газораспределительного механизма с помощью армированного волокном зубчатого ремня практически бесшумен. Материал зубчатого ремня не предназначен для контакта с маслами и охлаждающей жидкостью.

Зубчатый ремень

Двигатель сконструирован таким образом, чтобы ремень был изолирован от масла и от охлаждающей жидкости. Зубчатый ремень необходимо заменять через предписанный межсервисный интервал.

Если визуальная проверка выявила наличие трещин на обратной стороне ремня или отсутствие/разрушение зубьев или тканевой основы, то необходимо заменить ремень, даже если предписанный момент замены еще не наступил.

Профили зубьев ремня

Применяются зубчатые ремни с различной формой профиля зубьев. При установке нового ремня необходимо убедиться, что он имеет профиль зубьев, соответствующий профилю зубчатых шкивов.

Профили зубьев

Система вентиляции картера

В картере двигателя скапливаются газы, содержащие большое количество несгоревших углеводородов. Законодательные нормы, регламентирующие токсичность отработавших газов автомобиля, предписывают не допускать выброса картерных газов в атмосферу.

Вентиляция картера

Эти газы попадают в картер двигателя, проникая между поршневыми кольцами и стенками цилиндров. Рисунок показывает, как пары газов, находящихся в картере и ГБЦ, с помощью соответствующих шлангов отводятся в систему впуска, а затем участвуют в процессе сгорания.

На современных автомобилях с бензиновыми двигателями используется система вентиляции, работающая в зависимости от нагрузки. На холостом ходу и на режимах с частичной нагрузкой, картерные газы отводятся во впускной коллектор через открытый клапан системы вентиляции картера (так называемый клапан PCV).

На режиме полной нагрузки разрежение во впускном коллекторе становится слишком мало, клапан PCV закрывается. Картерные газы отводятся в систему впуска через воздушный фильтр.

Принудительная система смазки с мокрым картером

Насос через заборник с сетчатым фильтром засасывает масло из поддона и подает его под давлением через трубопроводы и каналы системы смазки к соответствующим точкам двигателя. В автомобильных двигателях принудительная система смазки с мокрым картером используется чаще всего.

Принудительная система смазки с сухим картером

В такой системе смазки стекающее в картер масло откачивается насосом в специальный циркуляционный бачок.

Из него масло забирается подающим насосом и подается под давлением через фильтр и при необходимости через масляный радиатор к узлам двигателя. Система смазки с сухим картером применяется в основном в спортивных автомобилях, внедорожниках и мотоциклах.

Контур системы смазки

На рисунке изображен контур принудительной системы смазки с мокрым картером. Запас масла находится в поддоне под блоком цилиндров.

Система смазки

Насос откачивает масло через заборник с сетчатым фильтром и подает его в фильтр. Очищенное масло из фильтра поступает к точкам смазки в головке и блоке цилиндров.

Масляные насосы

Масляный насос должен обеспечивать надлежащее давление масла в двигателе внутреннего сгорания и подачу (примерно 250 - 350 л/ч). Масло переносится, например, во впадинах между зубьями, от полости всасывания к полости нагнетания. Распространение получили следующие типы насосов:

  • шестеренный насос с наружным зацеплением;
  • шестеренный насос с внутренним зацеплением и серповидным разделительным элементом;
  • роторный насос.

Шестеренный насос с наружным зацеплением

В данном насосе масло захватывается зубьями и переносится во впадинах между ними вдоль стенок корпуса к полости нагнетания.

Шестеренный насос

Зацепление зубьев обеих шестерен препятствует возвращению масла в полость всасывания. В полости всасывания образуется разрежение, а в полости нагнетания возникает давление.

Шестеренный насос с внутренним зацеплением и серповидным разделительным элементом

Этот насос представляет собой одну из разновидностей шестеренных насосов. В большинстве случаев его внутреннее зубчатое колесо установлено непосредственно на коленчатом вале двигателя.Наружное зубчатое колесо установлено по отношению к внутреннему со смещением (эксцентриситетом).

Внутреннее зацепление

Таким образом внутри насоса образуются полости всасывания и нагнетания, отделенные друг от друга серповидным элементом. Масло транспортируется во впадинах между зубьями и поступает в нагнетающую полость как вдоль наружной, так и вдоль внутренней части разделительного элемента.

Преимущество насоса с серповидным элементом по сравнению с обычным шестеренным насосом (упомянутым выше) состоит в большей производительности, особенно на низких частотах вращения двигателя.

Роторный насос

Основными элементами роторного насоса являются наружный ротор с внутренними зубьями и внутренний ротор с наружными зубьями. Насос приводится внутренним ротором, который расположен со смещением (эксцентриситетом). Он имеет на один зуб меньше, чем наружный.

Роторный насос

Зубья внутреннего ротора выполнены таким образом, что они касаются каждого зуба наружного ротора и одновременно уплотняют образовавшиеся полости. При вращении роторов полости всасывания постоянно увеличиваются. Насос захватывает жидкость. Полости нагнетания уменьшаются.

Масло поступает под давлением в напорный трубопровод. Насос работает равномерно, т.к. порции масла поступают из нескольких следующих друг за другом полостей ротора. Такой насос может обеспечить высокое давление подачи при высокой производительности.

Масляный фильтр

Для очистки масла и предотвращения загрязнения инородными металлическими частицами, появляющимися из-за износа деталей двигателя, используют масляный фильтр. Масляный фильтр не может очищать масло от жидких или растворившихся загрязнений.

По месту установки в масляном контуре различают полнопоточные фильтры (фильтры грубой очистки) и устанавливаемые параллельно главной масляной магистрали фильтры тонкой очистки.

Масляный фильтр

Полнопоточные фильтры гарантируют фильтрацию всего масла, поступающего к трущимся частям двигателя. Надлежащая пропускная способность обеспечивается с помощью малого гидравлического сопротивления напрямую зависящее от тонкости отсева. Это уменьшает их фильтрующий эффект и мелкие частицы не отфильтровываются.

Фильтр тонкой очистки масла

Фильтр тонкой очистки устанавливается параллельно основной масляной магистрали, поэтому через него проходит только часть подаваемого масла (5-10%). Таким образом к точкам смазки подается только частично очищенное масло.

Размеры пор фильтрующего элемента можно уменьшать до такой степени, чтобы отфильтровывать также мельчайшие частицы загрязнений из параллельного главной магистрали потока масла. Совместное применение полнопоточного фильтра (фильтра грубой очистки) и фильтра тонкой очистки.

Такая комбинация обеспечивает наилучшее очищающее действие. Такие системы нашли применение, например, в строительных машинах. По финансовым соображениям в большинстве двигателей легковых автомобилей используется система смазки с полнопоточным фильтром.

Форсунки охлаждения поршней

В двигателях внутреннего сгорания с повышенной термической нагрузкой устанавливают масляные форсунки охлаждения поршней, которые подают масло на днища поршней и это обеспечивает их лучшее охлаждение.

Охлаждение поршней

Маслоохладитель

При перегреве масла ухудшаются его смазывающие свойства, т.к. оно становится слишком жидким, поэтому для уменьшения температуры и предотвращения перегрева устанавливают маслоохладители. Маслоохладитель передает тепловую энергию масла окружающему воздуху или охлаждающей жидкости.

Охлаждение масла

В некоторых системах смазки используется дополнительный термостат контура охлаждения маслоохладителя, который перекрывает подачу ОЖ в контур до достижения им определенной температуры, поэтому масло быстрее прогревается, что положительно сказывается на его смазывающих свойствах.

Назначение моторного масла

При увеличении межсервисных интервалов в отношении используемого масла предъявляются особенно высокие требования. Основные задачи моторного масла - смазывать и охлаждать, т.е. предотвращать износ и отводить тепло от нагруженных деталей,кроме того, моторные масла должны:

  • абсорбировать загрязнения, т.е. удерживать их в себе и тем самым предотвращать образование отложений;
  • удалять высокотемпературные отложения;
  • выдерживать высокие температуры (термическая стойкость);
  • нейтрализовывать образующиеся при сгорании кислоты;
  • не терять своих свойств в течении всего межсервисного интервала (стойкость к старению, специально для тяжелых условий эксплуатации);
  • обеспечивать защиту от коррозии;
  • практически не менять свою вязкость;
  • иметь низкую испаряемость легких фракций при высоких температурах;
  • быть неагрессивным по отношению к уплотнениям;
  • иметь малую вязкость при низких температурах.

Вязкость

Вязкость масла никак не связана с его качеством. Чем выше вязкость масла, тем ниже его текучесть. Масла разделяют по классам вязкости SAE. Они были определены Обществом автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers (SAE)). Таким образом, масла различают по их вязкости в зависимости от температуры.

Число перед буквой «W» (Winter - зима) указывает на вязкость при отрицательных температурах (параметр, важный при холодном пуске). Число после буквы «W» обозначает вязкостные свойства масла при 100°C, т.е. при высоких нагрузках. Сегодня применяются преимущественно универсальные масла, например SAE 15 W 40, отвечающие разным классам вязкости.

Спецификация масел

Американский нефтяной институт (American Petroleum Institute (API)) совместно с SAE и Американским обществом специалистов по испытаниям и материалам (ASTM (American Society for Testing and Materials)) разработали систему классификации моторных масел по их свойствам и назначению. Моторные масла были разделены на два основных класса:

  • класс S — масла для бензиновых двигателей;
  • класс C — масла для дизельных двигателей.

Внутри этих классов масла разделили по качеству на подклассы, обозначив их дополнительной буквой (например, API SH/CF). Спецификация для бензиновых двигателей:

  • SE: бензиновые двигатели с 1971 года;
  • SF: бензиновые двигатели с 1981 года;
  • SG: малая склонность к образованию отложений на поршнях, уменьшенное образование отложений;
  • SH: более высокие требования (с энергосберегающими маслами и жестким контролем за продукцией);
  • SJ: высочайшие требования к маловязким маслам (0 W 20, 5 W 20, 10 W 30). Повышенные требования к защите лямбда-зондов. Использование новых методик для измерения стойкости к пенообразованию, гелеобразованию, термическим нагрузкам и окислению.

Спецификация для дизельных двигателей:

  • CA: малые нагрузки;
  • CB: средние нагрузки;
  • CC: нагрузки от средних до высоких;
  • CD: особенно для дизельных двигателей с турбонаддувом;
  • CE: тяжелонагруженные и высокооборотные дизельные двигатели с турбонаддувом и без, предназначенные для работы с резким изменением режима нагрузки;
  • CF: новая версия спецификации CD.

Система охлаждения

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для обеспечения быстрого прогрева двигателя до оптимальной температуры и отвода от него избыточного тепла во время работы.

Примерно треть тепловой энергии сгоревшего топлива расходуется на нагрев компонентов двигателя (поршней, цилиндров, ГБЦ, турбокомпрессоров (турбонаддува) и моторного масла). Вследствие ограниченной термической стойкости необходим теплоотвод.

Самые экономичные бензиновые и дизельные двигатели с непосредственным впрыском преобразуют в полезную работу только примерно 46% энергии в топливе, остальная часть энергии теряется (уходит с отработавшими газами, рассеивается системой охлаждения, расходуется на трение).

Контур системы охлаждения двигателя

Непрогретая охлаждающая жидкость (ОЖ) под действием насоса циркулирует в системе охлаждения, кроме того, в зависимости от конструкции и настроек отопителя, охлаждающая жидкость проходит через теплообменник отопителя, такой контур циркуляции называют «малым».

Охлаждение двигателя

После прогрева охлаждающей жидкости, термостат открывает проход ОЖ в радиатор. ОЖ начинает циркулировать по так называемому «большому контуру», если температура ОЖ продолжает расти, то термовыключатель или блок управления двигателя по данным с датчика ECT включает электрический вентилятор радиатора охлаждения.

Другой метод - привод вентилятора ремнем через терморегулируемую муфту. Расширительный бачок служит для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости. Температура ОЖ в зависимости от режима работы и созданной производителем конструкции двигателя, находится в диапазоне температур:

  • примерно 100-120C для легковых автомобилей;
  • примерно 90-95C для грузовых автомобилей.

Максимально допустимое избыточное давление в системах охлаждения современных автомобилей находится в диапазоне температур:

  • примерно 1,3-2 бар для легковых автомобилей;
  • примерно 0,5-1,1 бар для грузовых автомобилей.

Охлаждающая жидкость, как правило, является смесью не содержащей извести воды и антифриза с антикоррозийными присадками. Они должны быть совместимы с агрегатами данного автомобиля. Объем системы охлаждения примерно в 4-6 раз больше рабочего объема двигателя. Интенсивность циркуляции ОЖ примерно 10-50 раз в минуту.

Подача топлива и органы управления

Топливная система бензинового двигателя включает в себя следующие компоненты:

  • топливный бак;
  • топливный фильтр;
  • топливные магистрали;
  • топливный насос;
  • форсунки.

Система впрыска бензинового двигателя дозирует топливо с высочайшей точностью. Для защиты прецизионных деталей от повреждений необходимо обеспечить эффективную очистку топлива.

Топливный фильтр

Загрязнения улавливаются фильтром в контуре циркуляции топлива. Используемые топливные фильтры:

  • фильтр в топливной магистрали: сменный фильтр (устанавливается в разрез топливной магистрали);
  • фильтр в топливном баке: не требующий замены фильтр (устанавливается в топливном баке).

Топливный насос

В современных системах впрыска топлива для создания давления и подачи топлива используются исключительно электрические топливные насосы. По месту установки различают насосы, устанавливаемые в разрыв топливной магистрали: они могут быть установлены в произвольном месте в разрыве топливной магистрали и насосы устанавливаемые в баке, в большинстве случаев являются частью установленного в баке модуля подачи топлива.

Форсунки

Электроуправляемые форсунки впрыскивают находящееся в рампе (аккумуляторе давления) топливо во впускной коллектор или непосредственно в камеру сгорания. Топливо в рампе находится под надлежащим давлением. Форсунки открываются на такой период времени, чтобы подать в двигатель необходимое количество топлива.

Топливная система дизельного двигателя

Топливная система дизельного двигателя включает в себя следующие компоненты:

  • топливный бак;
  • топливный фильтр;
  • топливные магистрали;
  • топливный насос высокого давления аккумуляторной системы (Common Rail) или топливный насос высокого давления распределительного типа;
  • топливную рампу (аккумулятор давления, система Common Rail);
  • электроуправляемые форсунки аккумуляторной системы (Common Rail) или механические форсунки (топливный насос высокого давления распределительного типа).

Топливная система

В зависимости от конструкции могут устанавливаться также нагревательный элемент предварительного подогрева топлива и подкачивающий насос.

Топливный фильтр

Топливный фильтр служит для улавливания частиц, загрязняющих дизельное топливо, он устанавливается перед компонентами, которые могут быть повреждены этими частицами, и тем самым гарантирует безупречную работу этих компонентов.

Исполнения топливного фильтра дизельного двигателя:

  • фильтр предварительной очистки - Фильтр предварительной очистки, в большинстве случаев сетчатый, устанавливается в дополнение к основному;
  • основной фильтр - oсновной фильтр конструктивно может быть выполнен в виде корпуса с фильтрующим элементом или в виде простого сменного фильтра.

Топливоподкачивающий насос

Топливоподкачивающий насос интегрируют в топливный насос высокого давления (ТНВД). Топливо попадает в ТНВД, проходя через топливный фильтр.

ТНВД распределительного типа, ТНВД системы «Common Rail» и топливные форсунки

ТНВД дизельного двигателя предназначен для создания необходимого для впрыска давления топлива. Форсунки должны впрыскивать топливо в камеру сгорания таким образом, чтобы обеспечить надлежащее соответствующее геометрии камеры сгорания смесеобразование.

Распределение и фильтрация впускаемого воздуха

Система впуска

Система впуска включает в себя трубопровод забора воздуха, воздушный фильтр и впускной коллектор. Ее задачами являются очистка забираемого воздуха и подача топливо-воздушной смеси или воздуха в цилиндры.

Воздушный фильтр

Воздушный фильтр предотвращает проникновение в двигатель частиц минеральной пыли. Это уменьшает износ подшипников, поршневых колец и стенок цилиндров, кроме того, воздушный фильтр помогает уменьшить расход топлива и токсичность отработавших газов.

Впускной коллектор

В настоящее время впускные коллекторы изготавливаются как правило из пластмассы. Некоторые конструкции впускных коллекторов предусматривают их изготовление из алюминиевых сплавов.

Впускной коллектор

Для достижения наилучшего наполнения внутренние поверхности впускного коллектора должны быть как можно более гладкими, чтобы минимизировать сопротивление проходящему воздуху/топливо-воздушной смеси.

Впускные каналы к каждому цилиндру делают одинаковыми по длине и диаметру. Таким образом впуск для всех цилиндров происходит при одинаковых условиях, это обеспечивает равномерность их наполнения.

Длина впускных каналов оказывает существенное влияние на наполнение цилиндра. На высоких частотах вращения двигателя более короткий впускной канал способствует увеличению крутящего момента, cоответственно, при низких частотах вращения более оптимальной оказывается большая длина впускных каналов.

Система впрыска топлива

Бензиновый двигатель

Различают следующие виды систем впрыска топлива бензиновых двигателей:

  • системы одноточечного (центрального) впрыска;
  • системы распределенного (многоточечного) впрыска;
  • системы непосредственного впрыска.

Системы одноточечного (центрального) впрыска

В системе одноточечного впрыска топливо впрыскивается во впускной коллектор одной электроуправляемой (электромагнитной) форсункой, установленной перед дроссельной заслонкой.

Одноточечный впрыск

Необходимое давление создает электрический топливный насос. Система одноточечного впрыска (TBI = Throttle Body Fuel Injection) работает под управлением электронного блока.

Системы распределенного (многоточечного) впрыска

В системе многоточечного впрыска топливо впрыскивается в каналы впускного коллектора непосредственно перед впускными клапанами. Форсунками управляет электронный блок.

Распределенный впрыск

Системы непосредственного впрыска бензинового двигателя

В системах непосредственного впрыска топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, где и происходит образование топливно-воздушной смеси.

Непосредственный впрыск

Такой принцип (как в дизельных двигателях) позволяет достичь более высокого КПД и, соответственно, снизить расход топлива.

Вихревой поток

Дизельный двигатель

Для дизельных двигателей делается различие в зависимости от процесса впрыскивания топлива:

  • непрямой впрыск;
  • прямой (непосредственный) впрыск.

В двигателях с непрямым впрыском топливо впрыскивается в предкамеру или вихревую камеру. В двигателях с прямым впрыском топливо впрыскивается в углубление в днище поршня.

Двигатель с вихревой камерой

Такой способ смесеобразования предусматривает наличие отделенной от основной камеры сгорания сферической вихревой камеры, эта камера соединена каналом с основной камерой сгорания.

Вихревая камера

Двигатель с предкамерой

Предкамера расположена по возможности ближе к центру основной камеры сгорания. Эта камера соединена каналом с основной камерой сгорания. В предкамере установлены свеча подогрева и форсунка.

Двигатель с непосредственным впрыском

В двигателе внутреннего сгорания с непосредственным впрыском (с неразделенными камерами сгорания) топливо под высоким давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания (углубление в поршне).

Камера в поршне

В системах непосредственного впрыска топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Образование топливо-воздушной смеси происходит в камере сгорания. Такой принцип (как в дизельных двигателях) позволяет достичь более высокого КПД и, соответственно, снизить расход топлива.

Система свечей подогрева

Система предварительного подогрева служит для облегчения пуска дизельного двигателя. В холодном дизельном двигателе сжатие сопровождается прорывом газов из камеры сгорания и большими тепловыми потерями.

Поэтому достаточные для пуска давление и температура в конце такта сжатия достигаются в этом случае только после многочисленных оборотов двигателя.

Чтобы прогреть перед пуском воздух в камере сгорания дизельного двигателя, в нее устанавливают свечи подогрева. Время прогрева зависит от внешней температуры и конструкции двигателя.

Зажигание двигателя

Для генерации искры используется энергия от аккумуляторной батареи. Топливно-воздушная смесь воспламеняется электрической искрой, возникающей между электродами свечи зажигания.

В преобладающих на бензиновых двигателях индуктивных системах зажигания необходимая для возникновения искры энергия аккумулируется в катушке зажигания.

Величину этой энергии определяет время, за которое заряжается катушка (время протекания тока в первичной обмотке катушки, угол замкнутого состояния контактов прерывателя).

Прерывание тока в первичной обмотке катушки приводит к образованию искры и воспламенению топливо-воздушной смеси. Современные системы зажигания управляются с помощью электронного блока управления.

Момент зажигания

Полное сгорание топливо-воздушной смеси происходит примерно за две миллисекунды после ее воспламенения искрой (момент зажигания). Момент зажигания должен быть перед ВМТ (так называемое опережение зажигания) — это обеспечивает полное сгорание смеси и достижение максимального давления газов в цилиндре уже после ВМТ.

Различным нагрузкам соответствует различная оптимальная величина опережения зажигания. С ростом частоты вращения двигателя зажигание должно быть более ранним, т.к. время на сгорание топливо-воздушной смеси уменьшается

.

Свечи зажигания

Свечи зажигания предназначены для воспламенения топливо-воздушной смеси с помощью электрической искры. По достижении напряжения зажигания между электродами свечи происходит искровой разряд.

Конструкции свечей зажигания

Свеча зажигания имеет центральный электрод и один или несколько массовых электродов.

Свечи зажигания

Массовые электроды крепятся на корпусе свечи. В зависимости от конструкции свечи они могут быть по-разному расположены относительно центрального электрода:

  • массовый электрод, расположенный над центральным;
  • массовый электрод с боковым расположением.

Система выпуска отработавших газов

Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов к задней части автомобиля, глушения звуковых колебаний и уменьшения токсичности отработавших газов (с помощью каталитических нейтрализаторов).

Отработавшие газы

Система выпуска включает в себя выпускной коллектор, трубы с глушителями и, в зависимости от исполнения, катализатор. Характеристики системы выпуска специально согласовывают с двигателем. Это необходимо для надлежащего глушения шума и оптимизации мощности двигателя.

В систему выпуска также могут входить турбокомпрессор (турбонаддув) и система рециркуляции отработавших газов. Выпускной коллектор является наиболее подверженной тепловым нагрузкам деталью выпускной системы, поэтому он изготавливается из чугуна.

Трубы и глушители изготавливаются из листовой стали. Вся система выпуска подвергается внутренней (агрессивные отработавшие газы) и наружной коррозии (вода, антигололедные реагенты), воздействию высоких температур и колебаний.

При повреждении или негерметичности системы выпуска необходимо выполнить ее ремонт или замену деталей, в противном случае возможно попадание в салон токсичных отработавших газов. Кроме того, из-за подсоса наружного воздуха в систему выпуска нарушается работа системы управления двигателем.

Сильфоны предназначены для компенсации взаимного смещения элементов системы выпуска. Тепловое расширение и вибрации в этом случае не приводят к возникновению внутренних напряжений в материалах, из которых сделаны компоненты системы, таким образом удается избежать возникновения трещин и поломки деталей.

В отработавших газах содержатся токсичные вещества, количество которых можно уменьшить, используя:

  • соответствующее топливо (с низким содержанием серы, неэтилированное);
  • каталитические нейтрализаторы;
  • специальные системы в двигателе (например, систему рециркуляции отработавших газов).

Законодательством установлены предельные величины токсичности выбрасываемых автомобилем отработавших газов. Для того чтобы уровень токсичности оставался в надлежащих пределах, необходима каталитическая доочистка отработавших газов. Поток отработавших газов проходит через установленный в системе каталитический нейтрализатор.

Каталитический нейтрализатор

Размещенный в нем послойно катализатор действует таким образом, что находящиеся в отработавших газах токсичные вещества вступают в химическую реакцию, в ходе которой они преобразуются в относительно безвредные для человека и окружающей среды соединения.

Система рециркуляции отработавших газов

Система рециркуляции отработавших газов необходима для снижения выброса вредных веществ. При обедненной смеси и высоких температурах горения, происходит образование оксидов азота (NOx).

Рециркуляция газов

Для уменьшения температуры горения, часть выхлопных газов из выпускного коллектора. с помощью клапана системы рециркуляции отработанных газов, возвращается во впускной коллектор для уменьшения концентрации кислорода в топливно-воздушной смеси, который влияет на температуру горения. Таким образом можно снизить количество оксидов азота в отработавших газах.

Турбонаддув

Из существующих видов наддува двигателей внутреннего сгорания широчайшее распространение получил турбонаддув. Турбонаддув позволяет двигателям малого рабочего объема выдавать большие мощность и крутящий момент при высоких значениях КПД.

Турбина двигателя

Если раньше турбокомпрессоры (турбонаддув) применялись прежде всего для увеличения удельной мощности, то сейчас они все больше используются для увеличения крутящего момента на малых и средних оборотах.

Заключение

Механизмы и системы двигателя внутреннего сгорания постоянно совершенствуются, и количество их становится все больше. Совершенствуется система зажигания, система газораспределения с регулировкой фаз газораспределения устанавливается уже на многих двигателях разных производителей, разработаны двигатели с регулируемой степенью сжатия в цилиндрах.

Автомобили, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, объединяют с электродвигателями (гибридные системы привода) и т. д. Прогресс не стоит на месте. Подписывайтесь на рассылку, чтобы ничего не пропустить, не развивайте скорость больше, чем летает Ваш ангел-хранитель, и удачи на дорогах!

С уважением, Олег!

Сделай репост – выиграй ноутбук!

Каждого 1 и 15 числа iBook.pro разыгрывает подарки.

  • Нажми на одну из кнопок соц. сетей
  • Получи персональный купон
  • Выиграй ноутбук LENOVO IdeaPad

Подробно: ibook.pro/konkurs

LENOVO IdeaPad Intel Core i3-5, 8ГБ DDR4, SSD, Windows 10

10 комментариев

  • Аватар комментатора Владимир Туриков Владимир Туриков
    Чувствуется профессионализм, есть чему поучиться, освещена тема детально, всё разложено по полочкам, понятно даже школьнику, прочитал с интересом, спасибо за интересную заметку. Подписан чтобы получать следующие интересные материалы. Успехов, Олег!
    Ответить
    1. Аватар комментатора Олег Лесовой Олег Лесовой

      Владимир, спасибо за оказанное доверие, постараюсь его оправдать.

      Ответить
  • Аватар комментатора Сергей Сергей
    Описано конкретно по теме, даже больше чем в учебном комбинате для подготовки водителей 3 класса 🔥🔥🔥
    Ответить
    1. Аватар комментатора Олег Лесовой Олег Лесовой

      Сергей, а оно им надо?

      Ответить
  • Аватар комментатора Сергей Сергей
    Спасибо за популярное изложение устройства ДВС. ДВС имеет родимый недостаток, Ахиллесову пятку в виде возвратно-поступательного двтижения поршней. Это сколько же энергии уходит "в свисток" от мгновенного разгона и остановки поршня при тысячах оборотов в минуту? Даже поршень паровозного двигателя имеет лучшие характеристики: он не такой высокооборотный и его поршень двойного действия в обе стороны движения. Ванкель пытался убрать этот недостаток, но без успеХ из-за проблем с уплотненинием.
    "По всему, по этому" напрашивается для небольших автомобилей ... велосипедная трансмиссия с тихоходным поршнем из баллона со сжатым воздухом .. или даже от парового двигателя. Для велосипеда такой привод от сжатого воздуха сделать проще при уже имеющемся рычагом педалей. Осталось добавить только шатун и Уперёд. Сорри за вольные фантези.
    Ответить
    1. Аватар комментатора Олег Лесовой Олег Лесовой

      Сергей, когда-нибудь запасы углеводородного сырья на планете иссякнут и ДВС будут показывать в музее, как сейчас показывают паровой двигатель. Разработаны двигатели работающие на воде за счет энергии получаемого водорода, но это не выгодно нефтяным магнатам, поэтому ездим на бензине. Я не открою Вам секрет, если скажу, что кроме электромобилей еще появились электро велосипеды, электро самокаты и т. д. Коэффициент полезного действия электродвигателя значительно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, и за ним будущее.

      Ответить
  • Аватар комментатора Александр Утышев Александр Утышев
    Статья по уровню тянет, чтоб быть учебным пособием для механиков технических училищ
    Ответить
    1. Аватар комментатора Олег Лесовой Олег Лесовой

      Александр, впервые эту информацию получил в году 2007, когда устроился работать на дилерский автоцентр, а к обучению там относятся очень серьезно - каждые 3 года переаттестация по каждой из систем автомобиля. Списать или в шпаргалку заглянуть из области фантастики.

      Ответить
  • Аватар комментатора Виталий Анатольевич Виталий Анатольевич
    Мощно задвинул. Детально.
    Ответить
    1. Аватар комментатора Олег Лесовой Олег Лесовой

      Виталий, как учили, но это только общая, вводная информация в обучении.

      Ответить

Добавить комментарий

Отправить комментарий Отменить

Сообщение