Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – сердце большинства современных автомобилей, генераторов и многих других устройств. Он преобразует химическую энергию топлива в механическую, приводящую в движение колеса автомобиля или вращающую ротор генератора. Понимание принципов работы ДВС позволяет лучше разобраться в устройстве автомобиля, его обслуживании и возможных неисправностях. В этой статье мы подробно рассмотрим устройство и работу различных типов ДВС, а также современные технологии, направленные на повышение их эффективности и экологичности.
1. Основы работы ДВС:
В основе работы ДВС лежит принцип сгорания топлива в замкнутом объеме – цилиндре. В результате сгорания образуются газы высокой температуры и давления, которые толкают поршень, соединенный с коленчатым валом. Вращение коленчатого вала передается на трансмиссию и далее – на колеса автомобиля.
2. Основные типы ДВС:
Существует несколько основных типов ДВС, различающихся по типу топлива, способу воспламенения, количеству тактов и другим параметрам. Наиболее распространенные типы:
• Бензиновый двигатель: Работает на бензине. Воспламенение топливовоздушной смеси происходит от искры, генерируемой свечой зажигания.
• Дизельный двигатель: Работает на дизельном топливе. Воспламенение происходит за счет высокой температуры воздуха, сжатого в цилиндре.
• Газовый двигатель: Работает на сжиженном нефтяном газе (СНГ) или сжатом природном газе (СПГ). Воспламенение происходит от искры, как в бензиновом двигателе.
• Роторный двигатель (двигатель Ванкеля): Вместо поршней в нем используется ротор треугольной формы, вращающийся в корпусе.
3. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания:
Наиболее распространенным типом ДВС является четырехтактный двигатель. Его работа состоит из четырех последовательных тактов:
• Впуск (Inlet): Поршень движется вниз, создавая разрежение в цилиндре. Впускной клапан открывается, и в цилиндр поступает топливовоздушная смесь (в бензиновом двигателе) или только воздух (в дизельном двигателе).
• Сжатие (Compression): Поршень движется вверх, сжимая топливовоздушную смесь (в бензиновом двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Оба клапана закрыты. Сжатие увеличивает температуру топливовоздушной смеси (воздуха).
• Рабочий ход (Power): В конце такта сжатия происходит воспламенение топливовоздушной смеси (в бензиновом двигателе от искры свечи зажигания, в дизельном – за счет самовоспламенения топлива при контакте с горячим воздухом). Образовавшиеся газы высокого давления толкают поршень вниз, совершая полезную работу. Оба клапана закрыты.
• Выпуск (Exhaust): Поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Выпускной клапан открыт.
После такта выпуска цикл повторяется.
4. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания:
В двухтактном двигателе все четыре такта происходят за два хода поршня. Он проще по конструкции, чем четырехтактный двигатель, но менее экономичен и экологичен. Двухтактные двигатели часто используются в мотоциклах, лодках и других небольших транспортных средствах.
5. Основные компоненты ДВС:
ДВС состоит из множества компонентов, каждый из которых выполняет свою важную функцию. Основные компоненты:
• Блок цилиндров (Cylinder Block): Основная часть двигателя, в которой расположены цилиндры.
• Головка блока цилиндров (Cylinder Head): Закрывает цилиндры сверху и содержит клапаны, свечи зажигания (в бензиновом двигателе) и форсунки (в дизельном двигателе).
• Поршень (Piston): Движется внутри цилиндра и передает усилие от сгорания топлива на шатун.
• Поршневые кольца (Piston Rings): Уплотняют зазор между поршнем и цилиндром, предотвращая прорыв газов и масла.
• Шатун (Connecting Rod): Соединяет поршень с коленчатым валом.
• Коленчатый вал (Crankshaft): Преобразует поступательное движение поршня во вращательное.
• Распределительный вал (Camshaft): Отвечает за открытие и закрытие клапанов в нужный момент.
• Клапаны (Valves): Открывают и закрывают впускные и выпускные каналы в головке блока цилиндров.
• Свечи зажигания (Spark Plugs): Создают искру для воспламенения топливовоздушной смеси в бензиновом двигателе.
• Форсунки (Fuel Injectors): Впрыскивают топливо в цилиндр.
• Система охлаждения (Cooling System): Поддерживает оптимальную температуру двигателя, предотвращая его перегрев.
• Система смазки (Lubrication System): Обеспечивает смазку трущихся деталей двигателя, снижая износ и трение.
• Система впуска (Intake System): Подает воздух в цилиндры.
• Система выпуска (Exhaust System): Удаляет отработавшие газы из цилиндров.
6. Система питания бензинового двигателя:
Система питания бензинового двигателя отвечает за подачу топлива и воздуха в цилиндры в нужной пропорции. Она состоит из:
• Топливный бак (Fuel Tank): Хранит запас топлива.
• Топливный насос (Fuel Pump): Подает топливо из бака к двигателю.
• Топливный фильтр (Fuel Filter): Очищает топливо от загрязнений.
• Регулятор давления топлива (Fuel Pressure Regulator): Поддерживает постоянное давление топлива в системе.
• Форсунки (Fuel Injectors): Впрыскивают топливо во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры.
• Дроссельная заслонка (Throttle Body): Регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель.
• Воздушный фильтр (Air Filter): Очищает воздух от загрязнений.
• Впускной коллектор (Intake Manifold): Распределяет топливовоздушную смесь по цилиндрам.
7. Система питания дизельного двигателя:
Система питания дизельного двигателя отличается от бензинового. В дизельном двигателе в цилиндры поступает только воздух, а топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры под высоким давлением. Система питания дизельного двигателя состоит из:
• Топливный бак (Fuel Tank): Хранит запас топлива.
• Топливный насос высокого давления (ТНВД) (High-Pressure Fuel Pump): Создает высокое давление топлива для впрыска в цилиндры.
• Топливный фильтр (Fuel Filter): Очищает топливо от загрязнений.
• Форсунки (Fuel Injectors): Впрыскивают топливо непосредственно в цилиндры.
• Общая топливная магистраль (Common Rail): Аккумулирует топливо под высоким давлением и распределяет его по форсункам.
• Воздушный фильтр (Air Filter): Очищает воздух от загрязнений.
• Впускной коллектор (Intake Manifold): Распределяет воздух по цилиндрам.
8. Система зажигания бензинового двигателя:
Система зажигания бензинового двигателя отвечает за создание искры на свечах зажигания в нужный момент. Она состоит из:
• Аккумулятор (Battery): Обеспечивает питание системы зажигания.
• Катушка зажигания (Ignition Coil): Преобразует низкое напряжение аккумулятора в высокое напряжение, необходимое для создания искры.
• Распределитель зажигания (Distributor) (в старых двигателях): Распределяет высокое напряжение по свечам зажигания в нужной последовательности.
• Коммутатор (Ignition Module): Управляет работой катушки зажигания.
• Свечи зажигания (Spark Plugs): Создают искру для воспламенения топливовоздушной смеси.
• Провода высокого напряжения (High-Voltage Wires): Передают высокое напряжение от катушки зажигания к свечам зажигания.
В современных двигателях распределитель зажигания заменен электронной системой управления зажиганием (ECU), которая обеспечивает более точное и эффективное управление зажиганием.
9. Система охлаждения двигателя:
Система охлаждения двигателя поддерживает оптимальную температуру двигателя, предотвращая его перегрев. Существует два основных типа систем охлаждения:
• Жидкостная система охлаждения: Использует охлаждающую жидкость (антифриз), циркулирующую по каналам в блоке цилиндров и головке блока цилиндров.
• Воздушная система охлаждения: Использует поток воздуха для охлаждения двигателя.
Жидкостная система охлаждения более эффективна, чем воздушная, и используется в большинстве современных автомобилей. Она состоит из:
• Радиатор (Radiator): Отводит тепло от охлаждающей жидкости.
• Водяной насос (Water Pump): Обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости.
• Термостат (Thermostat): Регулирует температуру охлаждающей жидкости.
• Вентилятор (Fan): Увеличивает поток воздуха через радиатор.
• Расширительный бачок (Expansion Tank): Компенсирует изменение объема охлаждающей жидкости при нагревании и охлаждении.
10. Система смазки двигателя:
Система смазки двигателя обеспечивает смазку трущихся деталей двигателя, снижая износ и трение. Она состоит из:
• Масляный поддон (Oil Pan): Хранит запас масла.
• Масляный насос (Oil Pump): Подает масло под давлением к трущимся деталям.
• Масляный фильтр (Oil Filter): Очищает масло от загрязнений.
• Масляные каналы (Oil Galleries): Распределяют масло по трущимся деталям.
11. Современные технологии в ДВС:
Современные ДВС оснащаются множеством технологий, направленных на повышение их эффективности, мощности и экологичности. Некоторые из этих технологий:
• Многоточечный впрыск топлива (Multi-Point Fuel Injection): Впрыск топлива осуществляется непосредственно во впускной канал каждого цилиндра, что обеспечивает более точную и равномерную подачу топлива.
• Непосредственный впрыск топлива (Direct Injection): Впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр, что позволяет повысить мощность и экономичность двигателя.
• Турбонаддув (Turbocharging): Использует энергию отработавших газов для привода турбины, которая нагнетает воздух в цилиндры под давлением, что позволяет увеличить мощность двигателя.
• Изменяемые фазы газораспределения (Variable Valve Timing): Позволяют изменять время открытия и закрытия клапанов в зависимости от режима работы двигателя, что повышает мощность, экономичность и снижает выбросы.
• Система "старт-стоп" (Start-Stop System): Автоматически глушит двигатель при остановке автомобиля (например, на светофоре) и запускает его при нажатии на педаль газа, что позволяет снизить расход топлива и выбросы в городских условиях.
• Гибридные технологии (Hybrid Technologies): Сочетают в себе ДВС и электродвигатель, что позволяет снизить расход топлива и выбросы, а также улучшить динамические характеристики автомобиля.
• Системы нейтрализации отработавших газов (Exhaust Emission Control Systems): Каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры и другие устройства, предназначенные для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах.
12. Обслуживание ДВС:
Регулярное обслуживание ДВС является необходимым условием для его надежной и долговечной работы. Основные процедуры обслуживания:
• Замена масла и масляного фильтра (Oil and Filter Change): Рекомендуется проводить каждые 10-15 тысяч километров пробега.
• Замена воздушного фильтра (Air Filter Change): Рекомендуется проводить каждые 30-40 тысяч километров пробега.
• Замена свечей зажигания (Spark Plug Change): Рекомендуется проводить каждые 30-60 тысяч километров пробега.
• Проверка и регулировка клапанов (Valve Check and Adjustment): Рекомендуется проводить в соответствии с рекомендациями производителя.
• Замена охлаждающей жидкости (Coolant Change): Рекомендуется проводить каждые 2-3 года.
• Проверка и замена приводных ремней (Drive Belt Check and Replacement): Рекомендуется проводить в соответствии с рекомендациями производителя.
Заключение:
Двигатель внутреннего сгорания – сложный, но надежный агрегат, который на протяжении многих лет остается основным источником энергии для автомобилей и многих других устройств. Понимание принципов его работы позволяет лучше обслуживать и эксплуатировать автомобиль, а также следить за новыми технологиями, направленными на повышение его эффективности и экологичности. Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, ДВС еще долго будет играть важную роль в мировой экономике.