Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания. основные механизмы и системы двигателей, их назначение.классификация двигателей тракторов и автомобилей

Способ приготовления смеси

Классификация двигателей внутреннего сгорания может также осуществляться по тому, каким способом было приготовлено топливо для их работы. К примеру, выделяют два основных вида — это с внешним смесеобразованием и с внутренним смесеобразованием. Под смесеобразованием понимают процесс, в результате которого получают топливо для работы двигателя. Под внешним смесеобразованием понимают процесс приготовления топлива для работы двигателя вне его пределов, то есть в карбюраторе или в смесителе. Естественно, что к этой группе относят те виды этих устройств, которые не способны производить смесь самостоятельно.

Смотреть галерею

К внутреннему смесеобразованию относится тот случай, когда процесс производства смеси происходит непосредственно в самом цилиндре двигателя.

Основы устройства поршневых двс

Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала .

Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя .

Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном . Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр ,поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение — нижняя мертвая точка (НМТ) .

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д — диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i — число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность .

Принцип работы двигателя

Изучив устройство, перейдём к рассмотрению принципа работы ДВС. Как работает двигатель внутреннего сгорания разберём на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун. Положение, в котором остаётся поршень после перемещения вверх, называется верхней мёртвой точкой ВМТ. А положение после перемещения вниз — нижней мёртвой точкой НМТ. Ход поршня между двумя крайними точками называется тактом. Рабочий цикл включает 4 последовательных такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Посмотрим поэтапно, как работает 4-тактный двигатель внутреннего сгорания:

1. В начале такта впуска открывается впускной клапан, а поршень перемещается от ВМТ. В это время в цилиндр всасывается горючая смесь.
2. После прохода НМТ поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапана закрыты. Растёт давление и температура сжатых газов. В это время свеча зажигания даёт искру для воспламенения смеси.
3. Рабочая смесь горит, толкая поршень от ВМТ вниз. Клапана ещё закрыты.
4. На такте выпуска открывается выпускной клапан, и поршень поднимается вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра.

Принцип работы двухтактного двигателя

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя с двумя рабочими тактами отличаются от 4-тактного. Здесь вместо клапанов в определённых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке цилиндра.

Во время первого такта поршень двигается от НМТ к ВМТ. Через впускное окно под давлением насоса поступает рабочая смесь, заполняя цилиндр. Выпускное окно открыто и выпускает остатки отработавших газов. Перемещаясь, поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Вблизи ВМТ подаётся искра зажигания, после чего начинается второй такт.

Поршень перемещается вниз под действием давления газов. Открываются окна. Сначала выпускное, через которое выходят отработанные газы, а затем впускное, через которое снова подаётся смесь.

Классификация двигателей

Поршневые двигатели классифицируют по следующим признакам:

• по способу воспламенения горючей смеси — от сжатия (дизели) и от электрической искры
• по способу смесеобразования — с внешним (карбюраторные и газовые) и внутренним (дизели) смесеобразованием
• по способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;
• по виду применяемого топлива — работающие на жидком (бензин или дизельное топливо), газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе и мно­готопливные
• по числу цилиндров — одно- и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шестицилиндровые и т.д.)
• по расположению цилиндров — однорядные, или линейные (цилиндры расположены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров размещен под углом к другому)

На тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоцилиндровые дизели, на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъемности — четырехтактные многоцилиндровые карбюра­торные и дизельные двигатели, а также двигатели, работающие на сжатом и сжиженном газе.

Какие типы и виды двигателей существуют

Абсолютно любой моторный агрегат действует по одному и тому же принципу. В него подаётся топливо. Оно сжигается. В процессе сжигания выделяется энергия, а далее эта энергия преобразуется в механическую. Вся эта процедура повторяется неоднократно. Этот повторяющийся процесс называется тактом. В зависимости от того, сколько ходов совершает поршень, все двигательные установки можно разделить на двухтактные и четырёхтактные. Все силовые агрегаты, которыми оснащаются автомобили, основаны на четырёхтактном цикле. За время цикла подаётся топливная смесь, происходит рабочий ход поршня (вверх и вниз) и выводятся газы.

Двухтактные двигатели работают немного иначе. За время такта совершается рабочий ход и сжимается топливная смесь. Поршень наполняется и очищается за отведённое ему время. Эти двигатели имеют существенный минус — они выбрасывают много отработанных газов. А ещё они слишком много потребляют горючего. Именно поэтому они не используются в автотранспорте.

Инжекторный двигатель

Работа этого агрегата устроена несколько иначе: горючее маленькой порцией впрыскивается в воздушную среду. Давление распыляет топливо через форсунку, тем самым значительно сокращается его количество, так как оно дозируется специальным прибором. Это делает такие моторы более экономичными, а дозированная порция топливной смеси уменьшает количество вредных веществ в выхлопных газах и повышает коэффициент полезного действия двигателя.

Этот тип двигателя включается в себя механический и электронный виды. Механический дозирует горючее посредством рычагов, а электронный использует особую систему, управляющую количеством топливной смеси. Подобные системы позволяют горючему более полно сгорать, благодаря чему уменьшается количество вредного вещества, попадающего в атмосферу.

Карбюраторный двигатель

Проходя топливную систему, бензин поступает в карбюратор, иными словами, впускной коллектор. Туда же нагнетается воздух, который смешавшись с горючим, образует рабочую смесь. Она поступает в цилиндры, искра от свечи поджигает её.

Дизельный двигатель

Двигатели дизельного типа требуют особого внимания. Топливная смесь в них при сжимании воспламеняется. Воздух всасывается под большим давлением и за счёт этого происходит процесс самовоспламенения. Рабочий ход начинается сразу после воспламенения, далее выхлопные газы вытесняются.

У этого типа небольшой расход горючего и он выделяет мало вредных веществ. Достаточно высокий КПД. Этот вид силового устройства непрерывно модернизируется, даже морозы ему не страшны.

Разнообразные моторы, которые работают на дизтопливе, различны своими параметрами. Эти характеристики отличаются в зависимости от времени года. Им не нужна система зажигания, так как горючее воспламеняется за счёт давления.

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина электродвигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то его длина составит 40 мм. Отличием коллекторных электродвигателей от  бесколлектрных собратьев является простота в изготовлении и эксплуатации, следовательно, и стоимость его будет более низкой. Их особенность —  наличие щеточно-коллекторного узла, при помощи которого осуществляется соединение цепи ротора с расположенными в неподвижной части мотора цепями. Состоит он из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора.

Ротор

Щетки

Используют эти электродвигатели в радиоуправляемых игрушках: подав на контакты такого двигателя напряжение от источника постоянного тока (той же батарейки), вал приводится в движение. А, чтобы изменить его направление вращения, достаточно изменить полярность, подаваемого напряжения питания. Небольшой вес и размеры, низкая цена и возможность восстановления щеточно-коллекторного механизма делают эти электродвигатели наиболее используемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что он значительно уступает по надежности бесколлекторному, поскольку не исключено искрение, т.е. чрезмерный нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

На коллекторный электродвигатель нанесена, как правило, маркировка, указывающая на число оборотов: чем оно меньше, тем скорость вращения вала больше. Она, к слову, очень плавно регулируется. Но, существуют и  двигатели этого типа высокооборотистые, не уступающие бесколлекторным.

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Является наиболее распространённым по количеству, поскольку число автомобилей в мире на 2014 год составляло более 1,2 млрд., и большая их часть приводится в движение двигателем Отто.

Бензиновый двигатель

Основная статья: Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Является наиболее распространённым вариантом, установлен на значительной части транспортных машин (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта системы подачи топлива: инжектор и карбюратор. В обоих случаях в цилиндре сжимается топливо-воздушная смесь, подверженная детонации, поэтому степень сжатия и уровень форсирования такого двигателя ограничены детонацией.

Карбюраторный двигатель

Основная статья: Карбюраторный двигатель

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Инжекторный двигатель

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или открытых цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом ДВС Отто, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигается за счет увеличения давления форсуночного распыливания топлива.

Роторно-поршневой

Основная статья: Роторно-поршневой двигатель

Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

Предложен изобретателем Ванкелем в начале XX века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), Маздой в Японии (Mazda RX-7, Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки, и потому — с выполнением экологических требований.

RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок

Обычно роторно-поршневые ДВС используют в качестве топлива бензин, но возможно и применение газа. Роторно-поршневой двигатель является ярким представителем бесшатунных ДВС, наряду с двигателем Баландина.

Газовые двигатели

Основная статья: Газовый двигатель

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются: уголь, торф, древесина.

Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки).

Дизельный двигатель и его принцип действия

Камера сгорания мотора — это замкнутое место, полость для сжигания газообразного, либо водянистого горючего в движках внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит изготовление и сжигание топливовоздушной консистенции.

Вместе с обеспечением рационального смесеобразования камеры сгорания изготавливаются содействовать получению больших экономических характеристик и не плохих пусковых свойств движков. Отталкиваясь от конструкции и применяемого метода смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

Неразделенные камеры сгорания представляют из себя единый объем и имеют обычно ординарную форму, которая, обычно, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры малогабаритны, имеют относительно малую поверхность остывания, поэтому понижаются утраты теплоты. Движки с такими камерами сгорания имеют солидные экономические характеристики и отличные пусковые свойства.

Неразделенные камеры сгорания отличаются огромным многообразием форм. В большинстве случаев они производятся в днище поршней, время от времени отчасти в днище поршня и отчасти в головке блока цилиндров, пореже — в головке.

На рисунке показаны некие конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — округлая в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенами цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

Реальная съемка в камере сгорания работающего двигателя

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается только методом распыления горючего и согласования формы камер с формой факелов впрыска горючего. В данных камерах чаше всего используются форсунки с многодырчатыми распылителями и употребляются высочайшие давления впрыска. Такие камеры имеют малые поверхности остывания. Им свойственна низкая степень сжатия.

Рекомендуем: Зачем нужны загустители масла в двигатель?

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько усугубляет пусковые характеристики мотора. Но методом вытеснения воздуха из надпоршневого места в объем камеры в ходе сжатия удается сделать насыщенные вихревые потоки заряда, способствующими отличному смешиванию горючего с воздухом. При всем этом обеспечивается качество высшего уровня смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных движках. Им типично наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение горючего и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего цикла в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) употребляется высочайшая температура выпускного клапана, являющийся одной из стен камеры.

Разбитые камеры сгорания состоят из 2-ух отдельных объемов, соединяющихся друг с другом одним либо несколькими каналами. Поверхность остывания таких камер существенно не просто, чем у камер неразделенного типа. Потому по причине с большенными теплопотерями движки с разбитыми камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые свойства и, обычно, более высочайшие степени сжатия.

Но при разбитых камерах сгорания путем использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить высококачественное изготовление топливно-воздушной консистенции, по причине этого достигается довольно полное сгорание горючего и устраняется дымление на выпуске.

17. Степень сжатия

Рис. Камеры сгорания дизелей разбитого типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Уже сегодня, дросселирующее действие соединительных каналов разбитых камер позволяет существенно уменьшить «жесткость» работы мотора и понизить критические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некое понижение «жесткости» работы движков с разбитыми камерами сгорания может также обеспечиваться методом увеличения температуры отдельных частей камер сгорания.

Toyota 1-AZ FE

В начале 2000-х годов компания Тойота выпустила на рынок линейку моторов AZ. Они стали отличной заменой двигателям серии S, которые массово изготавливались до этого времени и устанавливались под капоты автомобилей известных зарубежных марок.

Лучшим представителем линейки агрегатов AZ стала модель 1AZ-FE. Специалисты быстро оценили ее возможности и назвали хорошей альтернативой двигателя для среднего класса машин 3S-FE.

Невзирая на то, что мотор 1-AZ FE признали надежным и долговечным, его установили на небольшое количество авто от компании Тойота:

• Camry (Aurion) 2006-2009 гг;
• РАВ4 и РАВ4 Евро с 2001-2006 гг;
• Avensis Verso 2001-2009 гг.

Такие машины распространены в Азии и некоторых европейских странах. В России они практически не встречаются. Сегодня новые автомобили с 1-AZ FE от Toyota не выпускаются, но двигатели данной модели все равно производятся и продаются в качестве запчастей.

Характеристики ДВС

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.