Двигатель

Разберем сегодня:

• Основные типы двигателей
• Одноцилиндровый двигатель
• Газораспределительный механизм
• Система охлаждения
• Система смазки
• Система питания
• Электронную систему управления двигателем
• Система выпуска отработавших газов
• Особенности системы питания дизельных двигателей

Основные типы двигателей

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)-

Преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу.

• Поршневые — работа расширения газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре, возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. 
• Газотурбинные — для преобразования энергии газов в крутящий момент служит ротор с лопатками специального профиля. 
• Роторно-поршневые — камеру сгорания ограничивает треугольный ротор, выполняющий функцию поршня. 

Также ДВС могут классифицироваться по типу топлива, способу образования горючей смеси и другим параметрам. 

Одноцилиндровый двигатель

— простейший поршневой двигатель внутреннего сгорания, имеющий всего один рабочий цилиндр.

Виды
Одноцилиндровые двигатели могут быть:

Бензиновыми — работают на жидком топливе (бензине) с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры топливо перемешивается с воздухом в определённой пропорции с помощью карбюратора.
Дизельными — двигатели с воспламенением от сжатия, работающие на жидком топливе (дизельном топливе). Подача топлива осуществляется форсункой, а смешивание с воздухом происходит внутри цилиндра.

Устройство:
Некоторые элементы одноцилиндрового двигателя:

Цилиндр — основа двигателя, в нём происходит процесс сгорания топлива.
Поршень — деталь, перемещающаяся в цилиндре под воздействием расширяющихся газов или под воздействием кривошипно-шатунного механизма.
Шатун — стержень, передающий усилие от поршня к кривошипу коленчатого вала и, наоборот, от коленчатого вала к поршню.
Коленчатый вал — служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное.
Впускной и выпускной клапаны — через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь, через выпускной — выходят отработанные газы

Принцип работы
Работа одноцилиндрового двигателя основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания, в дизелях — от сжатия.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня (от ВМТ к НМТ или наоборот) или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. 

Особенности работы: При работе одноцилиндрового двигателя коленчатый вал вращается неравномерно: он резко ускоряется в момент сгорания горючей смеси, а всё остальное время замедляется. Для повышения равномерности вращения на валу коленчатого вала, выходящего наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск (маховик). 

Применение
Одноцилиндровые двигатели используются в различных технических средствах, например:Мотоциклы, мотороллеры, мопеды.
Моторизованные велосипеды, картинги.
Радиоуправляемые транспортные средства.
Электроинструменты и садовая техника (например, бензопилы, газонокосилки, культиваторы).
Однако одноцилиндровые двигатели редко используются в современных автомобилях и тракторах из-за развития двигателестроения

Четырехтактный двигатель

Четырёхтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). 

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя:

1. Впуск. Поршень движется вниз, в цилиндр всасывается топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень поднимается вверх, сжимая смесь.
3. Сгорание (рабочий ход). Свеча зажигания поджигает сжатую смесь, происходит взрыв, толкающий поршень вниз.
4. Выпуск. Поршень поднимается вверх, выталкивая отработанные газы через выпускной клапан.

Некоторые преимущества четырёхтактных двигателей:

• более высокая экономичность расхода топлива;
• меньше выбросов вредных веществ в атмосферу;
• более тихая работа;
• больший ресурс.

Некоторые недостатки:

• более сложная конструкция;
• более высокая стоимость;
• меньшая мощность на единицу объёма.

Четырёхтактные двигатели используются в автомобилях, мотоциклах, генераторах и другой технике, где важны экономичность и долговечность. 

Газораспределительный механизм (ГРМ):

Газораспределительный механизм (ГРМ) — часть двигателя внутреннего сгорания, которая обеспечивает впуск наполнения цилиндров свежим воздухом (или топливно-воздушной смесью) и выпуск отработанных газов в выхлопную систему. 

Основная задача ГРМ — синхронизировать работу коленчатого и распределительного валов. Это важно для правильного смешивания топлива с воздухом и удаления отработавших газов. 

Устройство
Некоторые элементы ГРМ:Распределительный вал с эксцентриковыми утолщениями (кулачками). При вращении вала кулачки заставляют клапаны открываться, толкая их напрямую или через дополнительные рычаги (коромысла).  Впускные и выпускные клапаны — стержни, которые расширяются с одного конца, образуя «тарелку», перекрывающую доступ в цилиндр.  Привод — механизм, обеспечивающий вращение вала, синхронное с вращением коленчатого вала двигателя. Может быть ременным, цепным или шестерёнчатым.  Дополнительные элементы: пружины для возврата клапанов в исходную позицию после срабатывания, маслосъёмные колпаки, направляющие втулки. 

Принцип работы
Порядок работы ГРМ:

1) Одновременно с коленчатым вращается распределительный вал.
2) От кулачков посредством толкателей или коромысел осуществляется воздействие на стержни клапанов.
3) Тарелку клапанного элемента вдавливают внутрь камеры сжатия, что открывает вход или выход для поступления нового заряда или выпуска отработки.
4) Пружина возвращает клапан в исходную позицию, когда эксцентрик, провернувшись, прекращает давить на стержень

Частота вращения распределительного вала вдвое превышает обороты коленчатого, за один виток которого ГРМ срабатывает дважды для попеременного открытия и закрытия клапанов на разных группах цилиндров. 

Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя — комплекс узлов и агрегатов, которые отводят лишнее тепло от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и поддерживают оптимальную температуру мотора (около +85…+95 °C).

Также система: 

• охлаждает моторное масло;
• обогревает салон (тепло от двигателя через печку попадает в салон).

Устройство

Существует два основных типа систем охлаждения двигателей: 

1. Воздушная — тепло от двигателя отводится непосредственно в окружающий воздух. Для этого на поверхности цилиндров и головок цилиндров есть специальные рёбра, которые увеличивают площадь теплоотдачи. Обдув может быть естественным — при движении машины — или принудительным: вентилятором.
2. Жидкостная — используется специальная жидкость — антифриз. Она циркулирует по замкнутому контуру, отводя тепло от двигателя и передавая радиатору, где оно рассеивается в окружающую среду.

В современных автомобилях часто используют смешанные системы: жидкостное охлаждение основных деталей и дополнительное воздушное охлаждение. 

Принцип работы

По системе постоянно течёт охлаждающая жидкость. Когда двигатель холодный, она течёт по малому кругу, чтобы мотор быстрее согрелся. Когда температура становится рабочей, термостат направляет жидкость через радиатор по большому кругу. В радиаторе жидкость охлаждается потоком воздуха примерно на 10–15 °C. Если его недостаточно, в работу вступает вентилятор, дополнительно обдувающий радиатор.

Система смазки двигателя

Система смазки двигателя (смазочная система двигателя) — это комплекс устройств и механизмов, которые обеспечивают подачу моторного масла к трущимся деталям двигателя внутреннего сгорания, снижая трение, износ и нагревание. 

Функции системы:

• уменьшение трения между сопряжёнными деталями;
• отвод тепла и охлаждение деталей;
• удаление продуктов износа и нагара из двигателя;
• защита деталей от коррозии.

Устройство

Некоторые элементы системы смазки двигателя:

• Поддон картера — нижняя часть корпуса двигателя, наполненная маслом.
• Маслозаборник — конструкция из патрубка, идущего от поддона к насосу, и фильтра грубой очистки.
• Масляный насос — всасывает смазку из поддона и подаёт её в систему.
• Масляный фильтр — очищает рабочую жидкость от стружки и нагара. Бывают двух типов: разборные (при загрязнении фильтра меняется лишь фильтрующий элемент) и неразборные (меняется весь фильтр).
• Масляный радиатор — для снижения температуры рабочей жидкости, охлаждается жидкостью системы охлаждения.
• Магистрали и каналы — по ним движется масло от одного узла к другому.
• Датчики давления, температуры и уровня масла — подают сигналы на электронный блок управления двигателем.
• Клапаны (перепускные и редукционные) — позволяют автоматизировать контроль давления масла и управлять его подачей в систему.

Принцип работы

Смазка двигателя осуществляется циклически: 

• При работе двигателя масляный насос закачивает масло в систему.
• Под давлением масло подаётся в масляный фильтр, где очищается от механических примесей.
• Затем по каналам масло поступает к коренным и шатунным шейкам (подшипникам) коленчатого вала, опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца.
• На рабочую поверхность цилиндра масло подаётся через отверстия в нижней опоре шатуна или с помощью специальных форсунок.
• Остальные части двигателя смазываются разбрызгиванием: масло, которое вытекает через зазоры в соединениях, разбрызгивается движущимися частями кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. При этом образуется масляный туман, который оседает на другие детали двигателя и смазывает их.
• Под действием сил тяжести масло стекает в поддон, и цикл смазки повторяется.

Виды

В современных двигателях применяется комбинированная система смазки: часть деталей смазывается маслом под давлением, а другая часть — разбрызгиванием или самотеком.

Система питания двигателя

Система питания двигателя (топливная система) предназначена для приготовления горючей смеси из паров топлива и воздуха в определённых пропорциях, подачи её в цилиндры двигателя и отвода из них отработавших газов. Также система обеспечивает хранение топлива и его очистку перед подачей в двигатель. 

Устройство

Некоторые элементы системы питания двигателя:

• Топливный бак — резервуар для хранения топлива.
• Топливопроводы — трубки, которые подают топливо от одних компонентов к другим.
• Топливный насос — устройство, которое подаёт топливо из бака к двигателю, создаёт давление в системе.
• Топливные фильтры — обычно два — грубой и тонкой очистки. Фильтр грубой очистки — несколько тонких металлических сеточек, фильтр тонкой очистки — устанавливается перед карбюратором, рампой или ТНВД.
• Устройство образования топливно-воздушной смеси — например, карбюратор, в который подаётся бензин и воздух, где они смешиваются и через дроссельную заслонку подаются во впускной коллектор двигателя.
• Устройства впрыска топлива — форсунки в дизельных и инжекторных бензиновых двигателях.

Принцип работы
Топливо из бака под воздействием топливного насоса по топливопроводам подаётся к устройству для приготовления горючей смеси. Затем смесь подаётся в цилиндры двигателя.

Виды
В зависимости от места и способа приготовления горючей смеси двигатели автомобилей могут иметь различные системы питания: 

Карбюраторная — горючая смесь готовится в карбюраторе, воздух всасывается пассивно, перемешивается в диффузоре с распылённым топливом и поступает в цилиндр, где воспламеняется с помощью свечи зажигания.
Инжекторная — горючая смесь образуется непосредственно в камере сгорания или во впускном коллекторе (моновпрыск). В зависимости от количества форсунок инжекторные системы бывают с распределённым (количество форсунок и цилиндров равно) и централизованным (одна форсунка) впрыском.
Дизельная — топливо подаётся через форсунку прямо в цилиндр, куда отдельно всасывается воздух. Воспламенение происходит за счёт большого давления, создаваемого поршнем, поэтому свечи не применяются.

Электронная система управления двигателем (ЭСУД)

предназначена для управления цикловой подачей топлива в зависимости от режимов работы двигателя, его температурного состояния, регулировочных характеристик и параметров окружающей среды. 

Она состоит из:

• электронного блока управления (ЭБУ) на основе микропроцессора;
• датчиков для постоянного контроля за параметрами двигателя и окружающей среды;
• исполнительных устройств, с помощью которых ЭБУ управляет двигателем по заложенной в его память программе и в соответствии с информацией от датчиков.

Некоторые функции ЭСУД:

• нормирование пусковой подачи топлива;
• коррекция цикловой подачи топлива для ограничения дымности отработавших газов;
• ограничение цикловой подачи топлива при достижении предельной температуры охлаждающей жидкости;
• управление муфтой включения вентилятора системы охлаждения;
• защита двигателя по минимальному давлению масла;
• управление реле блокировки стартера;
• отключение подачи топлива в режиме «горный тормоз»;
• функция «круиз-контроль»;
• ограничение максимальной скорости автомобиля;
• обеспечение аварийного останова двигателя.

На современных автомобилях ЭСУД взаимодействует с автоматической коробкой передач, системами безопасности, системами комфорта и системами предотвращения кражи.

Система выпуска отработавших газов (выхлопная система) автомобиля —

это комплекс компонентов, который отвечает за отвод отработавших газов из двигателя. Она также необходима для снижения токсичности выхлопа, уровня шума и повышения эффективности работы мотора. 

Функции системы:

• отвод и охлаждение отработанных газов, предотвращение их попадания в салон;
• очищение выхлопа (катализатор и фильтры снижают токсичность выбросов);
• снижение шума и вибраций (резонатор и глушитель делают работу двигателя практически незаметной для окружающих).

Устройство
Некоторые элементы выхлопной системы:

Выпускной коллектор — первая точка приёма отработавших газов из двигателя. Обычно изготавливается из чугуна или нержавеющей стали, выдерживает экстремальные температуры и давление.
Приёмная труба — объединяет потоки газов от разных цилиндров, направляя их дальше по системе.
Каталитический нейтрализатор (катализатор) — очищает отработавшие газы от вредных веществ. Внутри — керамические соты с драгоценными металлами, которые нейтрализуют вредные соединения.
Сажевый фильтр (на дизелях) — задерживает твёрдые частицы, делая выхлоп чище.
Резонатор (или пламегаситель) — гасит пульсации и снижает температуру газов, делая звук мягче.
Глушитель — снижает громкость выхлопа до приемлемого уровня.
Выхлопная труба — через неё очищенные и охлаждённые газы покидают автомобиль.
В современных автомобилях схему выпуска могут дополнять турбокомпрессор, дополнительные заслонки и системы очистки выхлопа. 

Принцип работы
Как только топливная смесь сгорает в цилиндре, выпускные клапаны открываются, и раскалённые газы с огромной скоростью вырываются в выпускной коллектор. Дальше они проходят по приёмной трубе, попадают в катализатор, где вредные вещества разлагаются на безобидные соединения. Потом — в резонатор и глушитель, где выхлоп становится тихим. 

Особенности системы питания дизельных двигателей

Система питания дизельных двигателей имеет особенности, связанные с спецификой топлива и принципом работы. Эти особенности касаются устройства системы, принципа работы, требований к топливу и обслуживания.

Устройство

Некоторые элементы системы питания дизельного двигателя:

• Топливный бак — резервуар для хранения дизельного топлива. 
• Топливные фильтры — очищают солярку от загрязнений, защищая насосы и форсунки от повреждений. 
• Топливный насос низкого давления (ТННД) — подаёт топливо из бака к насосу высокого давления. 
• Топливный насос высокого давления (ТНВД) — создаёт необходимое давление для впрыска топлива в цилиндры. Имеет несколько секций, каждая из которых соответствует определённому цилиндру в двигателе. 
• Форсунки — обеспечивают точное распыление топлива в камере сгорания. Существуют форсунки двух типов: закрытого и открытого. В четырёхтактных дизельных двигателях в основном используют форсунки закрытого типа. 
• Топливопроводы — транспортируют топливо между элементами системы. 
• Система управления впрыском — регулирует подачу топлива в зависимости от режима работы двигателя. 

Принцип работы

Принцип работы

Работа системы питания дизельного двигателя основана на следующих этапах: 

1. Топливо из бака с помощью насоса низкого давления поступает в топливную магистраль.
2. Проходя через фильтры, оно очищается от примесей и воды.
3. Затем топливо поступает в насос высокого давления, где создаётся необходимое давление для впрыска.
4. Под высоким давлением горючее направляется к форсункам, которые распыляют его в цилиндры двигателя.
5. В камере сгорания сжатый воздух нагревается до высокой температуры, что вызывает воспламенение топлива без необходимости использования свечей зажигания.
6. Процесс горения преобразует энергию топлива в механическую работу.

Требования к топливу

Дизельное топливо для системы питания дизельного двигателя должно отвечать определённым требованиям. Некоторые из них: 

• Цетановое число — характеризует способность топлива к самовоспламенению. В современных видах топлива цетановое число — 45–50, при этом для современных дизельных двигателей предпочтительнее более высокие числа. 
• Фракционный состав — определяет полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя. 
• Вязкость и плотность — обеспечивают нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования. 
• Низкотемпературные свойства — определяют функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива.