Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

Как ни старается человечество отвязаться от бензиновых и дизельных двигателей, которыми приводится в движение весь транспорт, за исключением троллейбусов и трамваев, ничего у него не получается. Причин этому много, часть из них очевидны, и могут привести к разговорам о мировом правительстве и тому подобным глобальным вещам, поэтому мы рассмотрим более безобидную тему. Не почему мы пользуемся двигателями внутреннего сгорания, а благодаря чему они дают возможность быстро и безопасно перемещаться в пространстве.

На фото двигатель внутреннего сгорания, преобразующий давление от сгорающего топлива в механическую работу

Как работает ДВС

С одной стороны, все предельно просто — принцип работы ДВС основан на преобразовании одного вида энергии в другой. А именно — энергии тепловой машины, способной преобразовывать химическую энергию бензина, солярки или природного газа в механическую. ДВС существуют не только в привычном нам виде, они могут быть также газотурбинными и роторными, но чаще всего мы пользуемся именно поршневым двигателем, который доказал свою состоятельность и надежность еще сто с лишним лет назад.

ДВС хорош тем, что может работать абсолютно автономно. Мы к этому привыкли, и нам не кажется, что это большое достоинство, но стоит вспомнить беспомощно болтающиеся дуги троллейбуса или севшие батарейки на радиоуправляемом автомобильчике, как автономность приобретает гораздо большее значение, чем казалось. ДВС компактен, имеет небольшой вес и низкую стоимость, хорошую ремонтопригодность и может быть приспособлен под несколько видов топлива сразу. Его уже больше ста лет ругают за шумность и вредные выбросы, но с этими бедами мы научились кое-как справляться. Но для того, чтобы справляться с мотором на уровне пользователя, необходимо знать его принципиальное устройство и принцип действия.

Видеоролик о принципе работы двигателя внутреннего сгорания

Как устроен поршневой двигатель и его основные системы

Поршневой двигатель пока лидирует в распространенности и под капотом каждого автомобиля, под баком каждого мотоцикла находится именно он. Некто Ванкель пытался создать альтернативный роторный двигатель, но ему не удалось довести конструкцию до совершенства, поэтому мы о нем вспоминаем вскользь. Обычный поршневой ДВС может работать на бензине, дизельном топливе, на газе, а также на спиртовых составах. Рассматриваются также возможности применения водорода в качестве топлива, но широкого распространения такая конструкция не получила, несмотря на экологичность и перспективность.

Конструктивно, главные роли в моторе играют кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы. Их стабильную работу стремятся обеспечить ряд систем, главными среди которых можно назвать систему подачи топлива, смазки, выпуска, охлаждения и зажигания.

Все это хозяйство собрано на базе самых массивных деталей — блока цилиндров и головки блока. Вкратце ознакомимся с основными механизмами, иначе понять принцип действия ДВС будет тяжело.

Поршневой двигатель сегодня находится под капотом каждого авто

Чтобы превратить возвратно-поступательное движение во вращательное, служит кривошипно-шатунный механизм. Именно он преобразует движения поршня во вращение коленвала. Чтобы обеспечить своевременную подачу топлива и отвод отработанных газов из цилиндров, разработан газораспределительный механизм, приводящийся в движение от коленвала. Отработанные газы выводятся наружу посредством выхлопной системы, а впускная система обеспечивает подачу нужного количества топлива, которой руководит система управления — электронный блок управления (ЭБУ).

Дизельные двигатели не нуждаются в системе зажигания, поскольку дизельное топливо воспламеняется под давлением самостоятельно, а бензин нужно принудительно поджигать, для чего и служит система зажигания. Абсолютно все детали ДВС трутся между собой, и для уменьшения коэффициента трения применяется смазка, которую распределяет по всему мотору соответствующая система. В процессе работы силовой агрегат выделяет огромное количество тепла, которое отводит и передает атмосфере система охлаждения.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Когда горят газы, они имеют свойство расширяться. Это положено в основу работы любого ДВС. Процесс работы поршневого двигателя четко разбит на несколько циклов, а каждый цикл выполняется за определенное количество оборотов коленвала. У 4-х тактных двигателей рабочий цикл происходит за два оборота коленвала, у двухтактных — за один. Во время выполнения каждого такта в моторе происходит определенный процесс, который дает название такту. Теперь рассмотрим каждый из тактов в отдельности, чтобы четче понять их суть.

Впуск

Во время впускного такта поршень стоит в верхней мертвой точке, и начинает опускаться. При этом открывается впускной клапан, а поршень тем временем всасывает подготовленную системой питания смесь, наполняя ею цилиндр. Чем насыщеннее пространство цилиндра рабочей смесью, тем эффективнее происходит процесс горения, поэтому на многих автомобилях устанавливают по несколько впускных клапанов. Для этих же целей применяют наддув — турбина повышает давление воздуха во впускной системе и за счет этого наполнение цилиндра происходит во много раз эффективнее, что не может не сказаться на мощности.

Сжатие

Дизельные двигатели в системе зажигания не нуждаются

Поршень достиг нижней мертвой точки, цилиндр заполнился топливовоздушной смесью, а впускной клапан закрылся. Начинается такт сжатия. Поршень, поднимаясь наверх, сжимает топливную смесь до тех пределов, которые ограничены возможностью камеры сгорания. Самый ответственный момент. Поршень поднимается к ВМТ, все клапаны закрыты, в камере сгорания — максимальное давление, которое может быть достигнуто с учетом состояния поршня и компрессионных колец. Теперь мотор готов к главному такту.

Рабочий ход

Он получил название не зря. Благодаря этому такту двигатель может вращать коленвал. В этот момент система зажигания подает искру в камеру сгорания, происходит взрыв топливовоздушной смеси. Во время взрыва объем газа в камере сгорания моментально увеличивается в несколько раз, стремясь вытолкнуть поршень из цилиндра. Поршень же послушно опускается вниз, передавая полученную энергию на коленчатый вал посредством шатуна, и остается в нижней мертвой точке.

Выпуск

Вечно он там находиться не может, теперь коленвал заставляет поршень двигаться вверх. Теперь открывается выпускной клапан, а поршень через него выбрасывает отработанные газы до того момента, пока не достигнет пограничной точки вверху. Выпускной клапан блокируется, и начинается новый рабочий цикл.

Именно так происходит работа во всех поршневых ДВС. Есть некоторые нюансы и отличия в работе инжекторного и карбюраторного мотора, но принципиально на основном процессе это не сказывается никак. В отличие от четырехтактного мотора, двухтактный двигатель выполняет цикл за один оборот коленвала. У двухтактников нет газораспределительного механизма, то есть он есть, но его роль выполняет сам поршень, перекрывая впускной и выпускной каналы в нужное время, а смазка двухтактного двигателя осуществляется за счет масла, которое добавлено в бензин.

Если нам удалось пролить свет на таинство работы двигателя внутреннего сгорания, мы считаем миссию выполненной.