В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.
Различают следующие основные типы ДВС:
- поршневой двигатель внутреннего сгорания;
- роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
- газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.
Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.
Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:
- автономность;
- универсальность (сочетание с различными потребителями);
- невысокая стоимость;
- компактность;
- малая масса;
- возможность быстрого запуска;
- многотопливность.
Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:
- высокий уровень шума;
- большая частота вращения коленчатого вала;
- токсичность отработавших газов;
- невысокий ресурс;
- низкий коэффициент полезного действия.
В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:
Альтернативными видами топлива, используемыми в
двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые
топлива – метанол и этанол, водород.
Водородный двигатель с точки зрения
экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов.
Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в
топливных элементах автомобилей.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:
- корпус;
- кривошипно-шатунный механизм;
- газораспределительный механизм;
- впускная система;
- топливная система;
- система зажигания (бензиновые двигатели);
- система смазки;
- система охлаждения;
- выпускная система;
- система управления.
Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.
Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система
питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает
образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы
составляет система впрыска.
Система зажигания
осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в
бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит
самовоспламенение смеси.
Система смазки
выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями
двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате
работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.
Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при
сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в
цилиндре.
Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый
рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает
четыре такта (четырехтактный двигатель):
- впуск;
- сжатие;
- рабочий ход;
- выпуск.
Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение
поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из
цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность
работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания
рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход
(двухтактный двигатель).
На такте впуск впускная и топливная
системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости
от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и
распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в
камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск
дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов
газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за
счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в
камеру сгорания.
На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.
Такт рабочий ход сопровождается
воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или
самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое
количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться
вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется
во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется
для движения автомобиля.
При такте выпуск открываются выпускные
клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются
из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка,
охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.
Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего
сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент
полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как
правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных
– обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.