Загрузка...Двигатель внутреннего сгорания, его разновидности и принцип работы
Двигатель внутреннего сгорания, его разновидности и принцип работы
Ремонт автомобиля
В течение уже примерно 100 лет во всём мире статус главного силового агрегата для автомобилей, мотоциклов, комбайнов, тракторов и другого колёсного транспорта удерживает двигатель внутреннего сгорания.
Появившись в нач. 20-го ст. как альтернатива двигателю внешнего сгорания (т. е. паровому), он в 21-м ст. остаётся самым эффективным в экономическом отношении мотором.
Основная особенность каждого ДВС заключается в воспламенении топливной смеси прямо в рабочей камере вместо дополнительного наружного носителя. Во время работы получаемая при сгорании топливной смеси тепловая и химическая энергия трансформируются в работу.
Принцип работы
Изобретение простейшего 2-х тактного ДВС датируется концом 19 столетия. За все время существования подобных агрегатов их конструкция подверглась значительным изменениям, стала совершеннее и надежнее. Тем не менее, сама схема работы не подверглась значительным изменениям, а диаграмма, описывающая оба такта, выглядит так же, как и раньше.
Такая диаграмма описывает такты, которые называются впускным и выпускным.
Впускной такт 2-х тактного мотора предполагает подачу в цилиндр свежей топливной смеси из карбюратора. Второй — выпуск отработанной смеси, которая тут же поступает в глушитель, уменьшающий шумовой эффект и нейтрализующий часть токсичных выделений.
Наименьшее давление газа в поршне, отображаемое в начале диаграммы, знаменует первый такт работы 2-х тактного ДВС. В течение этого промежутка времени поршень стремится к своей верхней мертвой точке из крайней нижней. Во-первых, здесь стоит отметить состояние выпускного окна поршня, которое в этот момент находится в открытом состоянии. Отработавшая смесь выводится в сторону глушителя. На диаграмме в этот момент отмечается резкое повышение давления, которое вскоре доходит до своего пика.
Логично, что при понижении давления в верхней камере 2-х тактного ДВС происходит сильнейшее разрежение в камере сгорания, что на диаграмме работы отображается в виде резкого понижения исходного давления. Появление такого вакуума способствует тому, что смесь, приготовленная карбюратором, стремится из области высокого давления в область низкого, что является особенностью устройства ДВС подобного типа.
В итоге поршень достигает своей верхней точки, и начинает работать свеча зажигания. Здесь происходит розжиг поступившей свежей смеси, что заставляет выполнить ее работу на расширение и дать толчок поршню, немедленно перемещающемуся вниз.
Второй такт работы ДВС знаменуется тем, что при движении поршня вниз не только воспламеняется смесь, но и открывается так называемое продувочное окно. Через него в камеру сгорания поступает свежая смесь, которой только предстоит сгореть. В тот же момент отработанная и сгоревшая смесь выводится через выпускное окно наружу, принимается выпускным коллектором, а затем отправляется в глушитель и в атмосферу.
Вот где нужен двухтактный мотор
Таким образом, мы вкратце рассмотрели принцип работы простейшего двухтактного двигателя.
Стоит отметить, что такой тип двухтактного мотора, по сравнению с четырёхтактным, аналогичного объёма, имеет большую мощность.
Но двухтактным моторам присущи и недостатки – к примеру, низкая экологичность и высокий расход топлива. Именно по этой причине нет смысла устанавливать его на автомобиль.
Простота двухтактного двигателя состоит в том, что он не имеет сложного механизма газораспределения, распредвалов, клапанов, сложных головок блока цилиндров двигателя, требующих больших трудозатрат на их изготовление.
Тем не менее, благодаря своей простоте двухтактные агрегаты находят широкое применение в различных отраслях.
Они крайне популярны у авиамоделистов. Почти все простые мотоциклы и скутеры имеют двухтактный двигатель.
Повсеместно применяются в различных моторизированных устройствах, к примеру, в бензопилах, газонокосилках, генераторах, сельскохозяйственной технике.
Наверное в каждой нормальной семье присутствует хоть один механизм, имеющий двухтактный двигатель.
Надеюсь, это краткое повествование помогло разобраться что такое двухтактный двигатель, в принципах его работы.
Как работает двухтактный мотор
Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.
Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.
Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.
Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.
Преимущества и недостатки
Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.
Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.
Преимущества
Двухтактные дизельные двигатели стали производиться относительно недавно. Такие моторы на сегодняшний день имеют множество модификаций. К примеру, зажигание бывает 2 типов: контактным и бесконтактным.Также отличаются и схемы таких моторов. Применяется двухтактная система на танках, в самолетах, в тяжелой промышленной технике.
- Небольшой размер. Для установки агрегата требуется совсем немного места. Такие моторы легко умещаются под капотом транспортных средств.
- Небольшая масса. Стандартный турбодизель весит почти в 2 раза больше, чем двухтактный дизельный двигатель.
- Значительная экономия топлива. Расход горючего снижен практически в 2 раза по сравнению с обычным дизельным агрегатом.
- Простая конструкция. При обслуживании таких двигателей нет необходимости применять специальные технологии.
Такие преимущества выгодно выделяют двухтактные дизельные двигатели на фоне бензиновых собратьев. Имеются у таких моторов и серьезные недостатки.
Принцип работы двухтактных и четырёхтактных мотоциклов
Двухтактных дорожных мотоциклов уже почти не осталось, а оставшиеся — скорее курьёзный раритет, чем настоящий транспорт. Поэтому говорить будем о внедорожной технике. И давайте для простоты будем сравнивать современные (т.е. не архаичные) мотоциклы с одноцилиндровыми двигателями, двухтактными и четырёхтактными. Что между ними общего и какие есть отличия?
Оба варианта представляют собой двигатели внутреннего сгорания, использующие для работы энергию, выделяющуюся при сжигании смеси воздуха и топлива. При этом сгорающая смесь расширяется и толкает поршень вниз. Тот передаёт энергию движения через шатун на коленвал, который преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное. Вращение коленвала через трансмиссию передаётся на заднее колесо, а дальше вы и так знаете.
Что такое “такт”? Это движение поршня вверх или вниз в цилиндре. В четырёхтактном двигателе первый такт — это впуск, второй — сжатие, третий- вспышка (рабочий ход), а четвёртый — выпуск. На полный рабочий цикл четырёхтактного двигателя приходится два оборота коленчатого вала.
На такте впуска впускные клапана в головке цилиндра открываются, поршень движется вниз и засасывает топливо-воздушную смесь. Существуют конструкции, в которых смесь поступает в камеру сгорания принудительно, но для понимания сути это не имеет значения.
На такте сжатия и впускные, и выпускные клапана закрыты, а поршень движется вверх, сжимая содержимое камеры сгорания (т.е. топливо-воздушную смесь).
На такте вспышки, сгорания, сжигания, или, как правильнее его называть — рабочего хода, происходит основная магия: клапана закрыты, система зажигания образует искру на свече (или свечах) зажигания, которая поджигает сжатую смесь. При сгорании смесь расширяется и толкает поршень вниз, что и приводит в конечном итоге к появлению тяги на заднем колесе.
Такт выпуска очищает камеру сгорания от продуктов сжигания топлива, то есть выхлопных газов. Здесь открываются выпускные клапана, поршень движется вверх и выталкивает содержимое камеры сгорания через выхлопную систему.
А дальше всё повторяется: поршень опять движется вниз и происходит очередной первый такт, впуск.
Всё это происходит в камере сгорания. Это пустое пространство между днищем поршня (не удивляйтесь, но днище у него находится сверху) и внутренней частью (сводом) головки цилиндра, в котором находятся клапана. Собственно, поэтому головки четырёхтактных двигателей с верхним расположением распредвала довольно массивны: в них находятся распредвал (или два), клапана, пружины, впускной и выпускной порты, свеча зажигания, привод газораспределения, декомпрессор и много другого оборудования. Ниже, под поршнем, расположен коленчатый вал. Чаще всего он находится в масляной ванне, которую “взбалтывают” его щёки, разбрызгивая масло на стенки цилиндров, сам коленвал и шейки шатуна. В большинстве моторов есть также система принудительной подачи смазки — маслонасос забирает масло из картера и под давлением подаёт по специальным каналам во все движущиеся элементы, смазывая и охлаждая пары трения.
В двухтактных двигателях такт впуска и сжатия совмещены, а также совмещены такты рабочего хода и выпуска. Так что весь рабочий процесс происходит за два такта вместо четырёх, иначе говоря за один оборот коленвала. Получается, двухтактный двигатель выдаёт полезную мощность на каждом движении поршня вниз, в то время как четырёхтактный — только каждый второй ход вниз.
В двухтактном двигателе корпус двигателя (картер) является частью впускного тракта, и забор смеси происходит из него. Поэтому коленвал не может находиться в масляной ванне, как в четырёхтактном двигателе. Вместо этого масло добавляется в топливо-воздушную смесь, из которой оно оседает на стенки цилиндра, коленвал и шейки шатуна.
Головка двухтактного двигателя представляет собой просто крышку с резьбой для свечи. В ней нет ни клапанов, ни каких-либо каналов, проходов или других отверстий. Зато каналы (называемые окнами или портами) есть в цилиндре. Поршень при движении перекрывает и открывает их, по сути работая в качестве клапана. Вся магия двухтактного двигателя — в том, как хитроумно рассчитано расположение портов относительно хода поршня:
Такт впуска-сжатия
Такт впуска-сжатия: поршень движется вверх, под поршнем создаётся разряжение, и топливо-воздушная смесь втягивается в картер. Одновременно над поршнем происходит сжатие находящейся там порции смеси. Находящийся во впускном тракте лепестковый клапан между картером и источником топлива открывается только в одну сторону — он впускает смесь в картер и не выпускает обратно во впускной тракт (т.е. в карбюратор или во впускной манифольд инжекторных двигателей).
Такт сжигания-выхлопа
Такт сжигания-выхлопа: искра поджигает сжатую топливо-воздушную смесь, находящуюся в камере сгорания, она толкает поршень вниз с усилием, трансформируемым во вращательное движение. При этом в картере создаётся избыточное давление, и новая порция смеси проталкивается во впускное окно, ведущее в камеру сгорания. К концу такта сгорания поршень открывает выпускное окно в стенке цилиндра, и вошедшая в камеру сгорания смесь выталкивает в него отработанную порцию смеси. Впускное и выпускное окно расположены так, чтобы камера сгорания “автоматически” освобождалась от отработанной смеси и наполнялась свежей только за счёт движения поршня.
Ну ладно, скажете вы, это всё интересно, но двигатель ведь просто крутит колесо, так какая разница, двухтактный он или четырёхтактный?
Развитие идеи
Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много. В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки.
Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.
Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).
