Устройство двигателя

Двигатель, это самое сложное устройство в автомобиле. С помощью двигателя, у автомобиля появляется вращательная энергия на колесах и способность ездить. Двигатель, это своего рода преобразователь одного вида энергии в другой. Если точнее, то двигатель использует химическую энергию скрытую в топливе и превращает ее в механическую.

Кривошипно-шатунный механизм

Достигается это с помощью теплового расширения, согласно второму закону термодинамики. Топливо, перемешанное с воздухом, прекрасно горит и сгорая, дает даже не то, что расширение, а можно сказать взрывную волну, коротая если произошла в замкнутом пространстве, т.е. внутри двигателя, то дает мощнейший толчок на подвижные детали. Таким образом, возникает движение, которое с помощью механики, доходит до колес автомобиля. Собственно говоря, из-за этого, автомобильные двигатели и называются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатель состоит из 2 основных механизмов и 4 вспомогательных систем.

Механизмы: Кривошипно – шатунный механизм и газораспределительный механизм (далее просто КШМ и ГРМ)

Системы: система питания, система охлаждения, система смазки и система зажигания.

Все эти механизмы и системы имеют свое предназначение и свои детали, которые все вместе образуют собой двигатель.

Но тут нужно уловить суть и уяснить некоторые детали. Перечисленные выше системы, несомненно важны и двигатель даже без одной из систем, не сможет функционировать, но!, эти системы все же не есть двигатель, они созданы для поддержания необходимого баланса в работе двигателя. А сам же двигатель представляет собой, гармоничное сочетание двух важнейших механизмов КШМ и ГРМ, в которых происходит вся работа по сгоранию и расширению газов.

КШМ и ГРМ друг без друга не могут, по крайней мере пока, ведь уже постепенно появляются технологии, которые вероятно, в скором времени позволят нам исключить газораспределительный механизм из состава двигателя, ну или очень сильно его модернизировать, а попутно и еще некоторые системы. Но это в будущем, а пока КШМ и ГРМ, прочно связаны друг с другом, иначе нам не получить от ДВС никакой механической работы.

Предназначение КШМ и ГРМ

КШМ – Кривошипно-шатунный механизм, создан для превращения тепловой энергии во вращательно-поступательное механическое движение с помощью деталей кривошипа.

Блок двигателя

КШМ состоит из: блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, поршней, поршневых колец, поршневых пальцев и вкладышей.

Блок двигателя, самая массивная деталь, это остов или проще сказать, каркас двигателя, на котором крепятся все остальные детали двигателя. Блок неразборный, это одна большая деталь, отлитая из металла, например из чугуна, а в последнее время, чаще всего из алюминия. В блоке имеется множество каналов и технологических отверстий, одни из которых называются цилиндры.

Цилиндры требуют очень высококачественной обработки поверхности, так как в них происходит вся основная работа, то есть в них сгорает рабочая смесь и движутся поршни.

Поршни воспринимают давление от сгоревшей рабочей смеси и двигаясь в цилиндре поступательно вверх-вниз, передают это давление на коленчатый вал с помощью специальных толкателей шатунов.

Коленчатый вал, уже в свою очередь, преобразует это поступательное движение во вращательное движение, благодаря своей конструкции, а если быть точнее, то с помощью кривошипов. Что это значит?

Головка блока цилиндров

Газораспределительный механизм

Коленчатый вал состоит из шеек или колен, которые соединены между собой массивными маятниковыми пластинами. Этих шеек, два вида: коренные и шатунные. Коренными шейками, коленчатый вал крепится в блоке. Эти шейки расположены по оси коленвала. Шатунные же шейки, расположены на значительном удалении от оси вала. Таким образом получается кривошипный механизм, когда коленчатый вал, закрепленный в блоке, лишен возможности перемещаться по оси, но имеет возможность вращаться вокруг этой оси с помощью давления на выпирающих шатунных шейках. К концу коленчатого вала прикреплен маховик, который уже передает вращение коленчатого вала на детали трансмиссии и далее, вплоть до колес автомобиля.

ГРМ – Газораспределительный механизм – это такой механизм, с помощью которого, двигатель «дышит». Конкретнее, именно с помощью ГРМ, рабочая смесь, заставляющая двигатель работать, поступает в цилиндры, причем в строго назначенное ей время и в необходимом количестве. Затем, после того, как рабочая смесь сделала свое дело, ГРМ занимается освобождением цилиндров двигателя от продуктов горения, для того, чтобы они были готовы принять в себя следующую порцию топлива. ГРМ состоит из: головки блока цилиндров (ГБЦ), распределительного вала, клапанов, толкающих коромысел и пружин.

Как связаны между собой КШМ и ГРМ

Чтобы понять, как работают совместно КШМ и ГРМ, нужно рассмотреть принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Как вы знаете, чтобы двигатель совершил работу, в нем должна сгореть рабочая смесь, но перед этим, она должна туда попасть, а после всего, еще и удалиться оттуда. Каждый такой процесс в отдельно взятом цилиндре двигателя, называется рабочим циклом.

Рабочие циклы разделены на такты. Бывают двухтактные и четырехтактные двигатели. Наиболее распространены четырехтактные, так как двухтактные, хоть и более простые, но от них невозможно добиться высоких показателей экологичности, экономичности и надежности. Поэтому, на автомобилях поголовно применяются четырехтактные двигатели. Их и рассмотрим.

Четырехтактный двигатель – это такой двигатель, в каждом цилиндре которого происходит поочередно 4 такта. Вот они:

1 такт. Впуск – при нем, рабочая смесь попадает в цилиндр через открытый впускной клапан.

2 такт. Сжатие – здесь рабочая смесь сжимается под давлением поршня. Клапана в этот момент закрыты. Образуется замкнутое пространство. Рабочая смесь, сжимаемая поршнем, очень сильно нагревается от давления и становиться готова к воспламенению.

3 такт. Расширение. В этом такте происходит рабочий ход. То есть смесь воспламеняется (от искры, если это бензиновый двигатель или самовоспламенением, если это дизельный двигатель), сгорая, дает расширение и поршень в цилиндре получает мощнейших толчок для движения вниз.

4 такт. Выпуск. В этом такте, после того как расширение сделало свою полезную работу и прекратилось, т.е. когда поршень толкаемый расширением, пошел вниз, объем цилиндра увеличился и давление в нем упало, отработанные газы уже не представляют никакой ценности и их необходимо убрать из цилиндра, чтобы подготовить цилиндр к следующему циклу. Удаляются отработавшие газы, через выпускной клапан, который начинает приоткрываться еще когда поршень идет вниз. Именно в этот момент происходит основное удаление газов из-за разницы давления в цилиндре и в полости за выпускным клапаном. Затем оставшиеся отработавшие газы, доудаляются уже самим поршнем, который после того как сходил вниз, начинает идти вверх (возвратно-поступательное движение). Выпускной клапан в это время все еще открыт и цилиндр прекрасно очищается от продуктов горения.

Сочетание движения поршней и поочередного открывания и закрывания клапанов, это и есть совместная работа КШМ и ГРМ. Это по сути уже сам двигатель.

Интересные моменты:

КШМ и ГРМ соединяются между собой цепной или жесткой зубчатой передачей.
Открытие и закрытие клапанов происходит в немного другие промежутки времени, чем я попытался тут вам рассказать и уж тем более, чем это описано в классической теории. Это на самом деле сложная, большая тема и мы займемся её рассмотрением в другой статье.
Получается, что за один рабочий цикл каждого цилиндра, коленчатый вал совершает 2 оборота вокруг своей оси. За два оборота, лишь четверть этого вращения, является рабочим ходом. Как же двигателю хватает энергии совершать 3/4 холостого движения, да еще и дать энергию колесам автомобиля. Достигается это благодаря тому, что в двигателе не один цилиндр, а несколько. Рабочий ход в этих цилиндрах, происходит не одновременно, а поочередно, благодаря этому, двигатель получает равномерный поток энергии для бесперебойного вращения. Кроме того в конструкции кривошипно-шатунного механизма есть гасящие элементы, которые гасят колебания и работают на поддержание равномерного вращения, это маховик и щеки коленчатого вала.
Не все двигатели внутреннего сгорания имеют КШМ и ГРМ. Существуют еще роторные двигатели. У них другая конструкция, но их количество в мире по сравнению с поршневыми двигателями, невелико, да и не выпускают их больше, по причине несоответствия современным нормам. Поэтому, когда упоминается двигатель внутреннего сгорания, мы априори уже подразумеваем именно поршневые двигатели.

Итак, мы разобрались, что КШМ и ГРМ отвечают за работу двигателя. Теперь вкратце рассмотрим системы двигателя. Системы двигателя, как верные слуги, заботятся о том, чтобы их хозяину, то есть двигателю, было хорошо. А когда двигателю хорошо, он максимально продуктивен. Систем у двигателя 4: система питания, система охлаждения, система смазки и система зажигания. Но я бы добавил еще в этот список и выделил бы их в отдельные системы: систему выпуска отработавших газов (так как на сегодняшний день это уже довольно сложная штука) и электронную систему управления двигателем.

Система питания

Система питания предназначена, соответственно для питания двигателя. Она занимается приготовлением рабочей смеси (смесь воздуха с топливом) и подачей её в цилиндры двигателя. Также в эту систему, в классической теории, входит и система выпуска отработавших газов. Но я взял на себя смелость, вывести её в отдельную систему, поэтому о ней позже.

Система питания бензинового двигателя состоит из: топливного бака, бензонасоса, топливопроводов и воздуховодов, топливного и воздушного фильтров, впускного тракта и механизма подающего рабочую смесь в цилиндры. На старых машинах, этим механизмом был карбюратор, который смешивал воздух с бензином и уже готовую смесь поставлял в двигатель, на современных автомобилях, этот механизм состоит из двух механизмов, дроссельного узла и топливной аппаратуры (топливная рампа, форсунки), так как смесеобразование в них в отличие от карбюраторных, происходит уже внутри двигателя, то есть один механизм занимается подачей только воздуха в цилиндры, а другой занимается подачей только топлива. И в этом, очень много преимуществ.

Система смазки

Система смазки предназначена для максимального уменьшения трения подвижных деталей двигателя, а также для дополнительного охлаждения сильно нагретых деталей: поршней, стенок цилиндров, турбин. Уменьшение трения достигается с помощью использования автомобильных моторных масел имеющих вязкостную молекулярную структуру. Система смазки состоит из: масляного насоса, привода масляного насоса, масляного поддона, масляных каналов и фильтра для очистки масла. Также на автомобиле может быть установлен масляный радиатор для охлаждения масла и масляные форсунки для целенаправленной подачи масла под давлением к трущимся деталям.

Система охлаждения

Система охлаждения предназначена для поддержания в двигателе необходимого температурного баланса, при котором ДВС выдает оптимальные мощностные показатели и при этом не перегревается. Ведь двигателя внутреннего сгорания наиболее эффективны в верхних температурных пределах 80-120 , но при этом перегрев для них губителен. Это тонкая грань, с которой современные системы охлаждения успешно справляются. Также система охлаждения дополнительно используется для обогрева салона.

Состоит система охлаждения из: радиатора охлаждения,вентилятора охлаждения, патрубков и каналов, термостата, радиатора отопителя салона и жидкостного насоса (помпы).

В качестве охлаждающей жидкости используется простая вода, тосол, антифриз и даже иногда такой экстравагантный вариант, как дизельное топливо (в двигателях гусеничных тракторов например).

Система зажигания

Система зажигания предназначена для поджигания рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Поджигание в бензиновых двигателях происходит при помощи искрового пробоя в свечах зажигания. Искра эта формируется с помощью электричества подаваемого на свечи.

Всем этим занимается система зажигания. То есть она занимается тем, что берет ток из бортовой сети автомобиля, преобразует этот слабый ток в сильный ток с помощью катушки или катушек зажигания и подает его на свечи через высоковольтные провода или напрямую. Это если очень кратко сказать.

Состоит система зажигания в общем и целом из: аккумулятора, генератора, замка зажигания, свечей зажигания, высоковольтных проводов, распределителя зажигания и катушки (ек) зажигания. Все эти элементы, входят также и в состав всего электрооборудования установленного на автомобиле.

Система выпуска отработавших газов

Хотя она и считается частью системы питания, мне это кажется несправедливым, ведь система питания лишь питает двигатель, а не занимается сопровождением рабочей смеси до последнего пункта ее существования. Это уже прерогатива системы выпуска отработавших газов. Эта система предназначена для своевременного отвода от цилиндров двигателя, выхлопных газов, максимального снижения их токсичности и подавления шума. Современная система выпуска отработавших газов состоит из выпускного коллектора, каталитического нейтрализатора, резонатора и глушителя шума.

Электронная система управления двигателем

Электронная система управления двигателем или коротко ЭСУД, появилась сравнительно недавно. Её появление стало возможным благодаря развитию электроники и микросхем. Чем эта система занимается?

ЭСУД – это главная система современного двигателя. Она стоит во главе всех систем и занимается контролем и корректировкой их деятельности. ЭСУД при работе двигателя, в режиме реального времени, собирает информацию со всевозможных датчиков установленных на двигателе и на основе этих данных, а также же алгоритмов, заложенных в её блок управления, формирует и дает команды исполнительным механизмам на выполнение каких-либо действий. Например при перегреве ЭСУД даст команду включиться вентилятору охлаждения, при перебоях в работе двигателя, скорректирует подачу топлива, путем увеличения или уменьшения времени открытия топливных форсунок или изменит угол зажигания и т.д. Состоит электронная система управления двигателем из: блока управления, специальных проводов, датчиков(дмрв, дпдз, датчик кислорода, датчик детонации, датчик положения коленчатого вала, датчик температуры воздуха и мн.др.) и исполнительных механизмов.

Вот очень обобщенно я постарался рассказать вам, как устроен двигатель. Это лишь вершина айсберга. Чтобы разобраться со всем досканально, читайте другие статьи моего сайта, а я постараюсь стабильно писать и публиковать новый материал. До новых встреч на страницах сайта.

Рубрики:Двигатель, Теория автомобильных двигателей.
Метки записи: Двигатель...