Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), назначение, принцип работы.

Двигателем называется преобразователь того или иного вида энергии в механическую работу.

Двигатели, у которых механическая работа получается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми двигателями.

Двигатели, в которых топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра и получающаяся при этом энергия газов воспринимается движущимися в цилиндре поршнем, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Двигатели этого типа являются основными для современных автомобилей.

По способу осуществления рабочего процесса, поршневые ДВС разделяются на два типа: с внешним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси от электрической искры и внутренним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси от сжатия (дизели).

ДВС с внешним смесеобразованием по роду применяемого топлива разделяются на две группы: работающие на лёгком жидком топливе (в основном на бензине) и работающие на газе (природный газ и др.). Рабочий процесс и конструкция этих ДВС в основном идентичен.

В ДВС, работающих на бензине, горючая смесь, состоящая из паров топлива и воздуха, приготавливается в специальном приборе – карбюраторе или непосредственно во впускном тракте путём впрыскивания бензина в движущийся в цилиндры поток воздуха, а в газовых ДВС смесь газа с воздухом приготавливается в смесителе. И в том и в другом случае горючая смесь поступает в цилиндры ДВС, там смешивается с остатками отработавших газов и образовавшаяся таким образом рабочая смесь, зажигается от постороннего источника тепла (электрической искры вырабатываемой системой зажигания).

Двигатели, с воспламенением от сжатия – дизели, работают на тяжёлом жидком топливе – дизельном. В этих ДВС рабочая смесь приготавливается внутри рабочего цилиндра из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Зажигание смеси происходит в результате повышения температуры воздуха при большей степени сжатия его, чем в ДВС с внешним смесеобразованием.

По ряду объективных и субъективных причин на большинстве отечественных легковых автомобилях в основном применяются ДВС с внешним смесеобразованием, а на грузовых дизели.

Во многих странах разрабатываются и испытываются многотопливные ДВС, конструкции которых позволяют использовать дизельное топливо, бензин и другие топлива. В них воспламенение рабочей смеси происходит так же, как и в дизелях, от сильно нагретого воздуха вследствие высокой степени сжатия. Но эти ДВС пока ещё не нашли массового применения.

Мы будем рассматривать принцип работы, устройство и методику технического обслуживания ДВС с внешним смесеобразованием (до недавнего времени называемых карбюраторными), и лишь в исключительных случаях дизели.

Автомобильный поршневой ДВС был создан французским инженером Э. Ленуаром (1860 г.), но он был весьма несовершенный и внешне больше походил на паровой.

В 1862 г. французский изобретатель Бо Де Роша теоретически разработал ДВС работающий по четырёхтактному циклу, а немецкий изобретатель Н. Отто (1878 г.) построил такой ДВС.

Во время работы этого двигателя, в каждом его цилиндре, происходит периодически повторяющийся комплекс последовательных процессов: впуск (всасывание); сжатие; сгорание – расширение (рабочий ход); выпуск (выхлоп). Этот периодически повторяющийся ряд последовательных процессов протекающих в каждом цилиндре двигателя и обуславливающих превращение тепловой энергии в механическую работу называется рабочим циклом.

Часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня (точнее днища поршня) от одного крайнего положения до другого называется тактом. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным, а если за четыре хода, т.е. за два оборота коленвала – четырёхтактным.На автомобилях в настоящее время применяются только четырёхтактные ДВС.

Основной ДВС является кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Детали и узлы КШМ делятся на неподвижные и подвижные.

К неподвижным относятся блок цилиндров (базовая деталь ДВС) и головка блока, а к подвижным – поршень в сборе с поршневыми кольцами и поршневым пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик.

КШМ служит для восприятия давления газов, возникающих периодически в каждом цилиндре, и преобразования прямолинейного возвратно- поступательного движения поршня, во вращательное движение коленчатого вала.

Своевременное заполнение цилиндров ДВС горючей смесью (воздухом) и выпуск отработавших газов обеспечивает газораспределительный механизм(ГРМ).

На ДВС современных автомобилей ГРМ расположен в верхней части головки цилиндров (или в разъёме V-образных ДВС) и состоит из распределительного (кулачкового) вала, впускных и выпускных клапанов с пружинами и деталями их взаимной фиксации, толкателей (рычагов) впускных каналов. Распредвал приводится во вращение от коленвала с помощью шестерён, зубчатого ремня или цепной передачи. Впуск в цилиндры ДВС горючей смеси (бензиновые и газовые двигатели) или воздуха (дизели) и выпуск отработавших газов ГРМ производит в строгом соответствии с протеканием рабочего процесса в каждом цилиндре.

Подавляющее большинство отечественных автомобилей оснащено 4-х тактными ДВС, рабочий цикл которых совершается за два оборота коленвала. В таких ДВС, часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня (днища поршня) от одного крайнего положения до другого называется тактом.

Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленвала наибольшее, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ), а наименьшее – нижней мёртвой точкой(НМТ).

Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ (или наоборот), называется ходомпоршня «S», который равен удвоенному радиусу «R» кривошипа коленвала, т.е.S=2R.

Пространство над днищем поршня, при его нахождении в ВМТ называется объёмом камеры сгорания «Vc».

Объём, освобождённый днищем поршня при его перемещении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объёмом цилиндра «Vh».

Сумма рабочих объёмов всех цилиндров ДВС, выражается в литрах, называется литражом двигателя «Vl».

Объём, образующийся над днищем поршня, при его положении в НМТ, называется полным объёмомцилиндра «Va», который включает в себя объём камеры сгорания и рабочий объём, т.е. Va=Vc + Vh .

Отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания называется степенью сжатия «Е», т.е. Е= Va / Vc.

Величина степени сжатия, являясь одной из основных характеристик ДВС, показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь или воздух (в дизелях), находящиеся в цилиндре, при перемещении поршня от НМТ до ВМТ.

Такты рабочего цикла ДВС как в бензиновых (газовых), так и в дизельных проходят в одной и той же последовательности. Однако при одинаковом наименовании каждого из четырёх тактов, рабочий процесс бензинового (газового) двигателя принципиально отличается от рабочего процесса дизеля. Преобразование химической энергии сгораемого топлива в тепловую, а затем в механическую работу у четырёхтактных двигателей происходит в такой последовательности.

Такт впуска. Поршень движется от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт. В бензиновом ДВС под действием образующегося разрежения (0,07 – 0,095 МПа) в цилиндр засасывается горючая смесь (смесь воздуха и паров бензинов), а в дизелях – чистый воздух. После смешивания с остаточными газами горючей смеси образуется рабочая смесь с t 340-370 К.

Такт сжатия. При дальнейшем повороте, на следующие пол оборота коленвала, поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. В бензиновом (газовом) ДВС поршень при своём движении сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. Давление в конце такта сжатия увеличивается (Е=6,5-10) до 0,8 – 1,6 МПа, а t – 570 – 670 К. В дизельных двигателях, вследствие большей степени сжатия (Е= 15-23) давление в конце такта сжатия достигает 3 – 6 МПа, а t до 780 – 900 К. В конце такта сжатия (за 20-50 градусов до ВМТ) в бензиновом ДВС между электродами свечи возникает электрическая искра от которой воспламеняется рабочая смесь.

В процессе сгорания рабочей смеси, выделяется большое количество теплоты, давление повышается до 3,5-5 МПа, а t поднимается до 2700 К. В дизелях, в конце такта сжатия (за 5-30 градусов до ВМТ), в цилиндр впрыскивается топливо под большим (12-30 МПа) давлением, которое самовоспламеняется и сгорает, в результате чего давление повышается до 6-10 МПа, а t до 2400 К.

Такт расширения (рабочий ход). Клапаны закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ и при помощи шатуна вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. Давление газов и t падают и к концу такта давление в бензиновых ДВС составляет 0,3-0,8 МПа и t до 1400 К., а в дизелях соответственно – 0,3-0,5 МПа и 1100 К.

Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан (клапаны). Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра через выхлопную систему в атмосферу. При этом давление к концу такта падает до 0,1-0,12 МПа, а t до 1000 К (дизели до 900 К).

После завершения такта выпуска при дальнейшем вращении коленвала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Последовательность чередования тактов расширения в цилиндрах двигателя называют порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы двигателя определяется положением кривошипов коленчатого вала, очерёдностью открытия клапанов механизма газораспределения и расположением цилиндров. В большинстве современных четырёхтактных четырёхцилиндровых ДВС, устанавливаемых на отечественных легковых автомобилях, он принят 1-3-4-2.