Что такое двигатель и какой его принцип работы?

Руль принимают легендарные немцы

В 1876 году эстафету начинают принимать немецкие разработчики, чьи имена в наши дни гремят громко. Первый, кого следует отметить, стал Николас Отто и его легендарный «цикл Отто». Он первый разработал и сконструировал прототип двигатель на 4-х цилиндрах. После этого уже в 1877 году он патентует новый двигатель, который лежит в основе большинства современных моторов и самолетов начала 20 века.

Еще одно имя в истории автомобилестроения, которое многие знают и сегодня — Готлиб Даймлер. Он со своим другом и братом по инженерии Вильгельмом Майбахом разработали мотор на газовой основе.

1886 год стал переломным, поскольку именно Даймлер и Майбах создали первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Силовой агрегат получил название «Reitwagen». Этот движок ранее устанавливался на двухколесные транспортные средства. Майбах разработал первый карбюратор с жиклерами, который также эксплуатировался достаточно долго.

Для создания работоспособного двигателя внутреннего сгорания великим инженерам пришлось объединить свои силы и умы. Так, группа ученых, в которую вошли Даймлер, Майбах и Отто начали собирать моторы по две штуки в день, что на тот момент было большой скоростью. Но, как и всегда бывает, позиции ученых в совершенствовании силовых агрегатов разошлись и Даймлер уходит с команды, чтобы основать свою компанию. Вследствие этих событий Майбах следует своему другу.

Автомобиль Даймлера

1889 год Даймлер основывает первую автомобилестроительную фирму «Daimler Motoren Gesellschaft». В 1901 году Майбах собирает первый Мерседес, который положил начало легендарному немецкому бренду.

Еще одним не менее легендарным немецким изобретателем становится Карл Бенц. Его первый прототип двигателя мир увидел в 1886 году. Но, до момента создания первого своего мотора, он успел основать фирму «Benz & Company». Дальнейшая история просто потрясающая. Впечатленный разработками Даймлера и Майбаха, Бенц решил слить все компании воедино.

Так, сначала «Benz & Company» сливается с «Daimler Motoren Gesellschaft», и становиться «Daimler- Benz». Впоследствии соединение коснулось и Майбаха и компания стала называться «Mersedes- Benz».

Еще одно знаменательное событие в автомобилестроение случилось в 1889 году, когда Даймлер предложил разработку V-образного силового агрегата. Его идею подхватил Майбах и Бенц, и уже в 1902 году V-образные двигатели начали выпускаться на самолеты, а позже на автомобили.

Вторичные двигатели

Электродвигатели

В 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока.

В 1888 году сербский студент и будущий великий изобретатель Никола Тесла высказал принцип построения двухфазных двигателей переменного тока, а год спустя русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал первый в мире 3-фазный асинхронный электродвигатель, ставший наиболее распространённой электрической машиной.

Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применимы из-за температурных условий, а электрические — из-за искр при коммутации), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Всё разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

Переносные значения

Важность, первичность двигателя в технике привела к тому, что слово «двигатель» употребляется в переносном смысле во всех сферах деятельности человека (например, в экономике общеизвестно выражение «Реклама — двигатель торговли»)

Примечания

  1. Шанский Н. М., Боброва Т. А.Кот // Школьный этимологический словарь русского языка. Происхождение слов. — 7-е изд., стереотип.. — М.: Дрофа, 2004. — 398, [2] с.
  2. Крысин Л. П.Мотор // Толковый словарь иноязычных слов. — М.: Эксмо, 2008. — 944 с. — (Библиотека словарей).

Преимущества и недостатки ДВС

  1. Если говорить о преимуществах двигателей внутреннего сгорания, то на первое место выйдет удобство для пользователя. За столетие бензиновой эпохи мы обросли сетью АЗС и даже не сомневаемся, что всегда будет возможность заправить машину и ехать дальше. Есть риск не встретить заправочную станцию – не беда, можно взять с собой бензин в канистрах. Именно инфраструктура делает использование ДВС таким комфортным.
  2. С другой стороны, заправка двигателя топливом занимает пару минут, проста и доступна. Залил бак – и едь себе дальше. Это не идет ни в какое сравнение с подзарядкой электромобиля.
  3. Способность служить долго при грамотном обслуживании – то, чем могут похвастаться знаменитые двигатели-миллионники. Регулярное своевременное ТО способно сохранить работоспособность мотора на очень долгий срок.
  4. И, конечно, не будем забывать про милый сердцу рев мощного мотора. Настоящий, честный, совершенно не похожий на озвучку современных электрокаров. Не зря же некоторые автоконцерны специально настраивали звук двигателей своих машин.

Какой же основной недостаток у ДВС?

  1. Конечно, это низкий КПД — в пределах 20-25%. Самый высокий на сегодняшний день показатель КПД среди ДВС – 38%, который выдал двигатель Toyota VVT-iE. По сравнению с этим электромоторы смотрятся гораздо выигрышней, особенно с системами рекуперативного торможения.
  2. Второй значительный минус – это общая сложность всей системы. Современные двигатели давно перестали быть такими «простачками», как описывается в схеме классического ДВС. Наоборот, требования к моторам становятся всё выше, сами моторы – более точными и сложными, появляются новые технологии и инженерные решения. Всё это дополнительно усложняет конструкцию двигателя, и чем она сложней, тем больше в ней слабых мест.

Так что, если раньше сосед дядя Вася перебирал двигатель своей «копейки» самостоятельно, но на новеньких современных машинах вряд ли кто-то полезет в тонкую систему ДВС без специального оборудования и инструментов.

И, наконец, нефтяная эра сама по себе отходит в прошлое. Не зря же растут требования к экологической безопасности транспорта, а заодно и эффективность солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные моторы еще не скоро исчезнут с улиц, но уже Европа борется за внедрение электромобилей, благодаря которым человечество когда-нибудь забудет слово «бензиновый смог».

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

  • Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
  • Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
  • Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Принцип работы двс

Устройство работы ДВС основано на расширении газов во время работы поршня.

Во время впуска происходит втягивание газа в цилиндр, после чего клапан закрывается, и происходит сжатие газа, смешанного с воздухом, поршнем. Сжатый газ зажигается свечой и, расширяясь, толкает поршень книзу, а поршень, в свою очередь, двигает коленчатый вал, и происходит движение автомобиля.

ДВС - схема работы цилиндров

ДВС — схема работы цилиндров

Процесс зажигания бензина

Электрические / бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее), как правило, полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки, чтобы обеспечить электрическую искру высокого напряжения для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя. Эта батарея может заряжаться во время работы с использованием устройства, вырабатывающего электричество, такого как генератор переменного тока или генератор, приводимый в движение двигателем. Бензиновые двигатели принимают смесь воздуха и бензина и сжимают до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм и используют свечу зажигания для зажигания смеси, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, оказывает непосредственное влияние на эффективность и производительность ДВС. Для типичного 4-х тактного автомобильного двигателя горючая смесь должна достигать максимального давления, когда коленчатый вал находится под углом 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для зажигания смеси в нужное время, чтобы гарантировать, что фронт пламени не соприкасается с нисходящей головкой поршня. Если передняя часть пламени соприкасается с поршнем, это приводит к розовому воздействию или ударам. Смеси Leaner и более низкие давления смеси сгорают медленнее, что требует более точного выбора времени зажигания. Сегодня большинство двигателей используют электрическую или компрессионную систему отопления для зажигания. Однако системы с открытым пламенем и горячими трубами использовались исторически.Никола Тесла получил один из первых патентов на систему механического зажигания с патентом США 609250 «Электрическое зажигание для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Процесс зажигания дизельного двигателя

Процесс зажигания двигателя

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность (с более плавными двигателями, производящими меньше вибрации). Обычные конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут принимать радиальную конфигурацию, которая позволяет более эффективно охлаждать. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно должны иметь головку цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, который называется конструкцией с противоположным расположением поршней. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с использованием двух коленчатых валов, по одному на каждом конце одного блока цилиндров, и наиболее примечательно в дизельных двигателях Napier Deltic, которые использовали три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двусторонних цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в локомотивных двигателях с одной банкой и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для движителей, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

 Более детально в видео: 

Преимущества и недостатки ДВС

К преимуществам ДВС можно отнести большую дальность передвижения без заправки, большую экономию средств, небольшой вес и объём топливного бака. К недостаткам можно отнести маленький средний КПД двигателя (около 40%) при использовании, высокое загрязнение атмосферы, необходимое наличие КПП.

Заключение

ДВС — очень полезная вещь, но также она способна загрязнять атмосферу. Нужно знать меру в использовании автомобилей, пользоваться ими осторожно, дабы предотвратить несчастные случаи и обеспечить безопасность себе, окружаюей среде и людям.

Система смазки

Система смазки обеспечивает снижение трения между взаимодействующими поверхностями двигателя, путем создания специальной пленки, предотвращающей прямой контакт поверхностей. Дополнительно осуществляет отвод тепла, защищает от коррозии элементы двигателя.

Состоит система смазки из масляного насоса, емкости для масла – поддона, маслозаборника, масляного фильтра, каналов, по которым масло движется к трущимся поверхностям.

Электрооборудование

Обеспечивает это оборудование электроэнергией бортовую сеть авто, в том числе и систему зажигания. Этим оборудование также производится и запуск двигателя. Состоит оно из АКБ, генератора, стартера, проводки, всевозможных датчиков, которые следят за работой и состоянием двигателя.

Это и все устройство двигателя внутреннего сгорания. Он хоть и постоянно совершенствуется, однако принцип работы его не меняется, улучшаются лишь отдельные узлы и механизмы.

Исполнение

Устройство двигателя автомобиля, в состав конструкции которого входят поршни, одинаково. Корпус силовой установки основа, в которой размещаются, крепятся и функционируют узлы, системы и механизмы агрегата.

Компоненты, или из чего состоит двигатель машины:

  • Остов двигателя. Место размещения камер объёмного вытеснения агрегата, играющих роль направляющих поршня;

Блок цилиндров:

Блок цилиндров

Кривошипы и шатуны, передаточное и преобразующее звено между поршнем и коленчатым валом;
Поршни, кривошипы, шатуны, коленчатый вал:

Поршни, кривошипы, шатуны

  • Механизм распределения газов, отвечает за наполнение и очистку камер объёмного вытеснения, действия выполняются клапанами;

Механизм распределения газов:

Механизм распределения

Транспортировка горючего, вовремя доставляет нужную порцию топлива соответствующей консистенции;
Механизм подачи топлива:

карбюратор

  • Поджог горючего, зажигает заряд в установленный промежуток времени;

Свеча зажигания:

свеча зажигания

  • Ликвидация отработки, выводит сгоревшие продукты в окружающую среду.

Система выпуска отработанных газов:

выхлопная система

Циклический процесс работы двигателя повторяет действия агрегата по «кругу». Частота повторения высокая, за счет чего вал вращается непрерывно и как следствие, автомобиль работает.

Двухтактные двигатели

Работа силовой установки на два такта следующая:

  1. Первый такт (процесс ввода и сдавливания горючего).Поршень из крайнего нижнего положения движется в крайнее верхнее положение, в этот момент в пространство сгорания вводится горючая субстанция. Движение вверх, сдавливает горючее, достигнув крайнего верхнего положения, субстанция поджигается электрической дугой, происходит моментальное расширение.
  2. Второй такт (процесс рабочего хода и вывода). Пары газа транспортируют поршень к крайнему нижнему положению. В этот момент происходит ликвидация отработки через открытый канал выпуска. Дойдя до крайнего нижнего положения, поршень начинает двигаться вверх, повторяя цикл. Таким образом, коленчатый вал движка на два такта за рабочий цикл совершает один оборот.

Учитывая то, что поршень совершает меньше перемещений для совершения полного цикла, потери на трение в моторе меньше, чес в аналогичном агрегате на четыре такта. Кроме того, поршень играет роль клапанного механизма, что упрощает конструкцию, исключая механизм распределения газов. Недостатки агрегата, хуже происходит смесеобразование и большие потери горючего.

Двухтактный мотор:

Двухтактный

Бензиновый двигатель

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, укомплектован механизмом воспламенения, который поджигает рабочую субстанцию в камере. Моторы такого типа используют смесеобразование за счет карбюратора, или применяют впрыск.

Карбюраторные двигатели изготавливают рабочую смесь в специальном устройстве, называемом карбюратор, после чего смесь воздуха и бензина попадает во впускной коллектор и далее в цилиндр. Из-за низкой топливной экономичности и большого количества вредных веществ в выхлопе мотора, карбюраторные двигатели устарели и в сегодня выпускаются в малых количествах.

Механизмы впрыска двигателя различаются: распределённые, один распылитель на каждый цилиндр у впускного клапана, или одна форсунка во впускном коллекторе. В некоторых конструкциях, форсунка встроена непосредственно в цилиндр. За счёт этого горючее подаётся непосредственно в камеру, горение происходит с большим эффектом, на бедной смеси. Токсичность и топливная экономичность таких агрегатов выше.

Бензиновый мотор:

Бензиновый двс

Роторный мотор

Устройство роторного двигателя представляет собой иной мотор. В агрегате отсутствуют поршни, место занимает ротор. Деталь вращается по специальной траектории, подвергаясь давлению газов. Конструктивно ротор выполняет функцию поршневой группы и функцию распределения газов.

Положительный аспект: ДВС компактный, мощный, быстро набирает обороты. Отрицательный аспект: ресурс установки ниже, чем у поршневых двигателей, а так же повышен расход топлива и выбросы вредных веществ.

Роторный мотор Mazda RX8:

Роторный мотор

Гибридный мотор

Гибридный двигатель, это симбиоз поршневого силового агрегата, работающего на бензине или дизеле, и электрического мотора. Кроме того, в схему включена батарея, питающая электромотор. В принцип работы гибрида заложена экономия горючего. В случае, когда работа происходит от электрического мотора, ДВС не используется. Двигатель подключается при разрядке батареи, или необходимости резкого ускорения автомобиля.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...