Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Двигатели и нагнетатели

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

3. Бензиновые двигатели

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой.

Четырёхтактный бензиновый двигатель.

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов. 1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо?льшим октановым числом, которое дороже. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу. 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала. Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Цикл Отто - термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя

Неравноменрность сгорание топливно-воздушной смеси в цикле Отто.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя:

  1. Впуск. Длится от 0 до 180° поворота распредвала. Открыты впускные клапаны. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается порция топливно-воздушной смеси. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.
  2. Сжатие. 180 - 360° поворота распредвала. Все клапаны закрыты. Поршень движется вверх к так называемой "верхней мертвой точке" (ВМТ), при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается большая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении, за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет добиться повышения КПД двигателя.
  3. Рабочий ход. 360 - 540° распредвала. Свеча поджигает сжатую топливно-воздушную смесь, в результате происходит маленький взрыв, толкающий поршень вниз цилиндра. Происходит движение поршня в сторону нижней мёртвой точки (НМТ) под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу.
  4. Выпуск. 540 - 720° поворота распредвала. Открываются выпускные клапаны, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы. Происходит очистка цилиндра от отработавшей смеси.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя.

Ремень ГРМ. Это резиновый ремень, соединяющий коленвал и распредвалы двигателя. Распредвалов обычно два - впускной и выпускной. Впускной управляет открытием клапанов на впуск, выпускной соответственно - выхлоп. Коленвал вращается за счет поршней через связующие ремни. Это происходит по тому же принципу, что и вращение шестерни велосипеда. Распредвал открывает клапаны с помощью кулачкового механизма в верхней точке движения поршня (ВМТ), поэтому необходимо синхронизировать вращения распределительного и коленчатого валов. Этой цели служит ремень ГРМ. Посредствам зубцов он приводит в движение шкивы (распределительные шестерни) обоих валов и регламентирует их вращение. Ремень ГРМ меняется по регламенту производителя при пробеге, в зависимости от рекомендаций каждые 50000 км пробега. Обрыв ремня приводит к рассинхронизации работы клапанов и цилиндров, что приводит чаще всего к загибанию клапанов и выходу двигателя из строя. На некоторых моделях ремень заменяет цепь ГРМ. Замена цепи требуется обычно реже, чем замена ремня, поскольку цепь больше ресурсоемка, однако она имеет свойство растягиваться, что также приводит к рассинхронизации работы двигателя. Своевременная замена цепи или ремня ГРМ - важная и необходимая процедура обслуживания двигателя.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) и блок цилиндров. Верхняя часть двигателя соединяется с блоком цилиндров по определенным точкам. Так как в места соединения очень сильно нагружены во время работы двигателя, то соединяются они через специальную прокладку, называемую прокладкой ГБЦ, во избежание повреждения корпуса двигателя. Со временем прокладка имеет теряет свои герметичные свойства и требуется ее замена. Для этого двигатель разбирается, старая прокладка удаляется, корпус чистится и устанавливается новая прокладка. Данная деталь одноразовая, ставится один раз и не подлежит ремонту, только замена. Протечка прокладки может привести к перегреву, попаданию лишнего воздуха в камеру сгорания, прогоранию клапанов и выходу двигателя из строя. Также может произойти смещение ГБЦ и блока цилиндров, что приводит к заклиниванию поршней. Восстановление двигателя после такой поломки - очень дорогостоящая операция.

Коленчатый вал. Основной вал двигателя, преобразующий толкающее движение поршней во вращение маховика, которое передается на колеса через трансмиссию. Находится чуть ниже блока цилиндров в картере, устанавливлен на так называемых вкладышах, которые предохраняют картер от механических повреждений. Наиболее распространенная поломка - прикипание вкладышей к коленвалу и последующее их проворачивание, что приводит к зазорам на валу и последующему разрушению картера. Наиболее частая причина - утечка масла.

Число оборотов в минуту (RPM). Если Ваш двигатель работает с частотой 3000 об/мин (по показаниям тахометра), это означает 50 полных оборотов коленчатого вала в секунду! Эксплуатация двигателя на повышенных оборотах приводит к перегреву и выходу его из строя.

Упрощенная схема работы четырехцилиндрового двигателя.
Упрощенная схема работы четырехцилиндрового двигателя.

Топливные инжекторы (на старых автомобилях - карбюраторы) управляют впрыском топлива в цилиндры в определенный момент. Подача топлива в цилиндры управляется электронным блоком управления и различными датчиками, такими как датчик положения дроссельной заслонки, датчик коленвала, датчик температуры и другими. Основная задача - обеспечить впрыск определенного количества топлива в определенный цилиндр в момент, определенный зажиганием. Выход из строя одного из компонентов системы может привести к некорректной подаче топлива в цилиндры, что приводит в лучшем случае к остановке работы одного или нескольких цилиндров, а то и вовсе прекращению его работы.

Октановое число — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для ДВС. Если из выхлопной трубы валит черный дым, а двигатель издает резкие звуки, это означает, что бензин в цилиндрах вместо сгорания начинает взрываться. Стук в двигателе создаётся волнами давления, возникающими при быстром сгорании смеси и отражающимися от стенок цилиндра и поршня. При этом снижается мощность двигателя и ускоряется его износ, а при возникновении детонационных волн двигатель может быть повреждён или разрушен. Использование не рекомендуемого производителем автомобиля бензина может привести к печальным последствиям и выходу двигателя из строя. Бензин с высоким октановым числом обычно требуется для форсированных двигателей, с более высокой компрессией, для предотвращения самовозгорания топлива.

Топливная система.
Топливная система.

Соотношение топлива к кислороду должно быть 1:14. Воздушный фильтр очищает входящий поток воздуха от грязи и пыли. Недостаток, как и переизбыток подачи воздуха в цилиндры приводит к ухудшению качества воздушно-топливной смеси, что может привести к неправильной работе двигателя и последующему выходу его из строя. Поэтому важна своевременная замена фильтра и недопущение засора впускного коллектора для нормальной работы двигателя. Турбинные двигатели отличаются тем, что нагнетание воздуха в цилиндры происходит принудительно.

Воздушная система.
Воздушная система.

Моторное масло смазывает движущиеся части, очищает, предотвращает коррозию и охлаждает детали двигателя, предотвращая перегрев и увеличивая износостойкость деталей. Маслонасос обеспечивает ток масла по масляным магистралям, поддерживая необходимое давление внутри магистралей. Масляный фильтр очищает масло от инородных элементов, предотвращая их попадание внутрь двигателя. Основная масса масла содержится в картере, или масляном поддоне. Именно там Вы проверяете уровень масла в Вашем двигателе. Поршневые кольца предотвращают попадание масла внутрь камеры сгорания, обеспечивая при этом смазку цилиндры тонким слоем масла. Появление черного дыма из выхлопной трубы и запаха горелого масла означает попадание масла в цилиндры, обычно это означает износ маслосъемных колпачков и поршневых колец. Выход из строя одного или нескольких компонентов масляной системы двигателя приводит к перегреву двигателя, снижению ресурса трущихся деталей и выходу двигателя из строя, что приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Масляная система.
Масляная система.

Во время работы двигатель сильно нагревается. Система охлаждения рассеивает выделяемое тепло, отводя его от двигателя. Теплоотводы представляют собой полости в ГБЦ и самом блоке цилиндров. Помпа (насос) системы охлаждения заставляет циркулировать охлаждающую жидкость по системе охлаждения. Радиатор состоит из металлических труб, окруженных плаcтинами. Горячая охлаждающая жидкость из двигателя попадает в трубы радиатора, где охлаждается воздухом от вентилятора радиатора. Из радиатора охлажденная жидкость подается обратно в двигатель, обеспечивая непрерывную циркуляцию и охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости обычно используется антифриз, разбавленный с водой. (В магазинах обычно продается уже готовый раствор). Реже используется тосол. Температура кипения антифриза около 1973 градусов по Цельсию. Температура замерзания - минус 12.7 градусов по Цельсию. Антифриз позволяет предотвратить закипание и замерзание охлаждающей жидкости в двигателе. Остановка вентилятора, пробитый радиатор и, как следствие - утечка антифриза и прекращение циркуляции охлаждающей жидкости в двигателе ведет к быстрому перегреву и выходу двигателя из строя, что в свою очередь приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Система охлаждения.
Система охлаждения.

Распределитель зажигания управляет подачей заряда на свечи в определенный период времени в определенном порядке, обеспечивая последовательную работу цилиндров. В каждый момент времени срабатывает зажигание только в одном цилиндре. Свечи накаливания передают электрическую искру в цилиндры, поджигая воздушно-топливную смесь. Свеча состоит из внешнего и внутреннего электродов, разделенных керамическим изолятором. Искра возникает в нижней части свечи между двумя электродами. Стартер запускает двигатель, проворачивая маховик, что приводит в движение цилиндры. В это же время подается зажигание и начинается работа двигателя. Генератор конвертирует механическую энергию в электричество, заряжая аккумулятор и поддерживает электрические системы автомобиля в рабочем состоянии во время работы двигателя. Аккумулятор питает электрические системы автомобиля и служит для запуска двигателя. Выход из строя одного или нескольких компонентов системы электрообеспечения приводит к прекращению подачи электричества двигателю, что приводит к его остановке.

Система зажигания.
Система зажигания.

Выхлопной коллектор отводит отработанные газы от двигателя. Катализатор снижает выброс вредных веществ в отработанных газах. Глушитель гасит шум, производимы двигателем.

Выхлопная система.
Выхлопная система.

Наружный ремень двигателя используется для управления и питания периферийного оборудования двигателя, такого как водяная помпа, генератор, система охлаждения и многого другого. Обрыв ремня чаще всего приводит к прекращению работы генератора, что приводит к обесточиванию автомобиля, поскольку аккумулятор перестает заряжаться во время работы двигателя.

Общая модель.
Общая модель.

Рабочий цикл двухтактного двигателя.

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра. Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработанные газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх часть свежей смеси вытолкнутой из выпускного коллектора засасывается назад в кривошипную камеру. Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза. Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.