Как работает двигатель внутреннего сгорания — СКАЧАТЬ РУКОВОДСТВО

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

• поршневые;
• роторные;
• газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель

Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых.  Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Устройство ДВС

Конструктивно двигатели делят, с учетом устройства и компоновки техники, на которой они установлены. Но сохраняются неизменными принципы, одинаковые для конструкции любого ДВС.

Двигатель комплектуется такими конструктивными узлами:

• блоком цилиндров – основной частью корпуса с проемами для рабочих камер, рубашкой охлаждения (для моторов, охлаждаемых жидкостью), крепежными отверстиями для установки головок и картера, посадочными местами для коленчатого вала и прочими конструктивными элементами;
• кривошипно-шатунной группой – с коленчатым валом, к которому крепятся шатуны, приводящие в действие поршни, двигающиеся внутри цилиндров; инерция вращения поддерживается маховиком;
• газораспределительным механизмом – системой, подающей в камеры сгорания топливо-воздушную смесь, с отводом выхлопа; включает распределительный вал, клапана, приводимые в действие коромыслами, ремнем или цепью, соединенными с коленвалом;
• топливной системой – подает горючее в камеры сгорания, после обогащения воздухом; включает бак, систему трубок для подвода питающей жидкости, карбюратора или инжектора (с учетом особенностей конструктивного устройства), форсунок, насоса, фильтрующего элемента;
• смазочной системой – с подачей смазки к трущимся деталям; включает масляный насос, приводящийся коленчатым валом, систему патрубков и полостей, фильтр и поддон; предусмотрено устройство «сухого» или «мокрого» картера;
• системой зажигания – для поджигания топливно-воздушной смеси; используется только на бензиновых двигателях, поскольку на дизельных моторах топливо с воздухом воспламеняется самостоятельно, при определенном давлении;
• системой охлаждения – может быть воздушной или жидкостной, для снижения температуры корпуса мотора, чтобы предупредить износ и выход из строя элементов;
• электросистемой – источником электроэнергии, необходимой для работы мотора; включает аккумуляторную батарею, генераторный блок, стартер и проводку с датчиками;
• системой выхлопа – для удаления продуктов сгорания в атмосферу, с доочисткой этой смеси, снижением шума от работы двигателя, фильтрующим элементом.

Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.

С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:

• цилиндры могут выполняться отдельно, с запрессовкой в корпус блока, или совместно с корпусом; моноблочные системы не предусматривают восстановления, в связи с тем, что нельзя заменить гильзу;
• корпуса двигателей изготавливают из сплавов чугуна или алюминия, устойчивых к перепадам температуры и высокому давлению;
• головка блока цилиндров выполняется с ним совместно или в виде отдельной детали; при раздельном исполнении возможно использование разных материалов для головки и блока цилиндров;
• работа кривошипно-шатунного механизма может уравновешиваться балансирными валами, расположенными по сторонам от коленвала и нивелирующими влияние инерционных сил; в результате снижается вибрация и шум, исключаются перегрузки двигателя;
• негативное влияние пружин при быстрой работе двигателя с механическим газораспределительным механизмом снижается за счет десмодромной системы управления мотором – со сложной конфигурацией кулачков;
• зависание клапанов исключается легкими материалами для изготовления этих деталей и пружинных элементов, пневматическим приводом;
• альтернатива традиционной конструкции ГРМ – гильзовый способ, разработанный Найтом; предусматривает использование взамен клапанов скользящих гильз, работающих бесшумно и долговечно; этот способ перестали использовать по причинам большого расхода смазочной жидкости, с разработкой верхнеклапанной конструкции;
• ранние модели двигателей комплектовались не стартерами, а генераторами переменного тока (магнето), приводимыми в действие коленчатым валом; это требовало прокручивания вала двигателя для запуска;
• вредное воздействие на экологию выхлопных газов частично снижается каталитическим нейтрализатором, окисляющим и химически преобразовывающим выхлоп;
• электронные системы дополнительно улучшают работу двигателя; изменение фаз газораспределения изменяет нагрузку на мотор, с учетом включенной передачи, снижая потребление горючего; дезактивация цилиндров регулирует объем камер сжатия, отключая ненужные цилиндры; регулировка степени сжатия изменяет объем камер сгорания, с учетом режимов работы мотора.

Эти и другие особенности конструктивно улучшили работу двигателей внутреннего сгорания.

Какие есть типы ДВС

Кроме бензиновых двигателей внутреннего сгорания, есть и другие, которые не так популярны, но тоже имеют свои преимущества:

• Дизельные двигатели работают при степенях сжатия горючей смеси в 3-4 раза больших, чем бензиновые. Это позволило повысить к.п.д. двигателя и дало возможность отказаться от системы зажигания. Смесь самовоспламенятся при высоком давлении, когда воздух от сжатия разогревается до 500-600С. Кроме этого, такие двигатели работают на дешевых сортах топлива, которое так и называют “дизтопливо”.
• Газовые двигатели работают от смеси сжиженных природных газов, хранящихся в баллонах под давлением насыщенных паров.

Необходимо понимать, что для обеспечения постоянной работы ДВС в автомобиле должны работать также система охлаждения двигателя, система подачи топлива и воздуха, система запуска и система выхлопа. На современных автомобилях большое значение приобретает компьютерный блок, держащий под контролем параметры всех систем.

Что мы узнали?

Мы познакомились с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Топливная смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, воспламеняясь в цилиндре двигателя, оказывает давление на поршень, который приводит во вращательное движение коленчатый вал двигателя. Внутренняя энергия горючей смеси преобразуется в механическую.

1. /5

   Вопрос 1 из 5

Классификация ДВС

В ходе эволюции таких двигателей они разделились на несколько типов:

Поршневые ДВС

Для этих моторов свойственно расположение рабочей камеры в цилиндрах и преобразование тепловой энергии в работу с помощью механизма из кривошипов и шатуна. Этот механизм передаёт двигательную энергию на коленвал.

Существует деление поршневых двигателей:

• на карбюраторные (с формированием смеси воздуха с топливом внутри карбюратора, дальнейшим впрыскиванием внутрь цилиндра и воспламенении в нём от искры, создаваемой свечой зажигания):
• инжекторные, с подачей смеси непосредственно в коллектор впуска посредством форсунки под контролем управляющего блока на электронике, и тоже воспламенением от свечи:
• дизельные, где смесь воздуха и топлива воспламеняется при отсутствии свечи, от сжимания воздуха, нагревающегося от давления и температуры, которая превышает температуру горения, тогда как впрыск топлива внутрь цилиндров происходит посредством форсунок.

Роторно-поршневые ДВС

Роторно — поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

В таких двигателях тепловая энергия преобразуется в работу путём вращения ротора, который имеет специальные профиль и форму. Его вращают выхлопные газы.

Газотурбинные ДВС

https://www.drom.ru/

Эти моторы отличаются тем, что тепловая энергия в них трансформируется в работу через роторное вращение. При этом имеет специальные лопатки клиновидной формы. Именно он движет турбинный вал.

Самые надёжные, неприхотливые и экономичные в вопросах расходования горючего и потребности в постоянном техническом обслуживании, — моторы поршневого типа.

По предназначению

Выделяют:

• главные ДВС (к ним относятся, в частности, агрегаты в тракторах, машинах, а также самоходные шасси)
• ДВС вспомогательного назначения (служащие пусковыми устройствами для главных двигателей — дизелей).

По принципу функционирования

ДВС бывают дизельными и карбюраторными.

Карбюраторные двигатели. Топливно-воздушная смесь в них образуется в карбюраторе, которая воспламеняется  от энергии электрического разряда.

В дизельных двигателях рабочая смесь получается непосредственно внутри цилиндров. Это называют внутренним смесеобразованием. Воспламенение топливной смеси происходит от высокой температуры воздуха, находящегося под высоким давлением в рабочей камере цилиндра.

По способу осуществления рабочего цикла

ДВС делятся на четырехтактные и двухтактные.

Для четырехтактных двигателей характерно последовательное чередование тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Это происходит в течение четырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала.

У двухтактных двигателей весь процесс протекает за два такта. Поэтому рабочий цикл у них протекает за два хода поршня и один оборот коленчатого вала.

По виду применяемого топлива

ДВС разделяются на:

• работающие на жидком топливе (дизельном, бензине)
• -работающие на газообразном топливе (генераторный, природный и другие газы).

По числу цилиндров 

• одноцилиндровые (например, П-350) 
• многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шести-, восьми-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые). Трех-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые двигатели применяются редко.

По расположению цилиндров

рядные или линейные, когда цилиндры расположены в один ряд;

https://zen.yandex.ru/media/id/5d2f518dcfcc8600ad6de3f3/principy-raboty-dvs-5d3075d9fe289100ace1cc8a

двухрядные — V-образные, у которых два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу;

https://qriosity.ru/car-engine/index.html

оппозитные, когда цилиндры одного ряда располагаются напротив (через 180°) второго ряда.

https://automotolife.com/

По назначению

По назначению двигатели делятся на:

• стационарные промышленного назначения —для установок на электростанциях, насосных станциях и т. д.;
• наземно-транспортные — тепловозные, автомобильные, тракторные, двигатели дорожных и транспортно-погрузочных машин и т. п.;
• судовые — главные двигатели (реверсивные и нереверсивные), вспомогательные (для привода вспомогательных механизмов судовой силовой установки);
• авиационные.

Расширенная классификация термометров

Оговоримся, что в рамках обзора не отделяем от темы пирометры. Это чуть иной класс приборов, активно используется для аналогичных целей, что и датчики температуры. Итак, принято различать:

Термометры расширения. Базируются на способности тел менять геометрические размеры:

1. Стеклянные жидкостные термометры — за окном. Уже считаются датчиками температуры. Чаще в качестве жидкости используется ртуть по ряду причин: сохраняет агрегатное состояние в широком диапазоне условий окружающей среды, не смачивает стекло, легко извлекается из природных компонентов. К недостаткам относятся токсичность, малый коэффициент температурного расширений и застывание уже при минус 35 градусах Цельсия. Это напоминает о пользе спиртовых термометров.
2. Манометрические термометры основаны на зависимости давления паров вещества в рабочей камере от температуры. Подобные системы охотно применяются в качестве термостатов стареньких холодильников, где нет электроники. Плюсы: система не нуждается в питании электрическим током, что сильно упрощает конструкцию прибора. Эти температурные датчики размещаются в районе испарителя, через трубку соединяются с регулятором (находится в холодильном отсеке), где стоит реле.

Термометрические датчики и термометры сопротивления включают в состав термопары и термисторы. Это избитая тема, коснёмся чуть ниже. В качестве материалов для указанных датчиков температуры применяются металлы, полупроводники, прочие классы таблицы Менделеева.

Термометр сопротивления

Принцип работы ДВС

В зависимости от своего устройства, двигатели можно разделить на четырехтактные и двухтактные. Такт – есть движение поршня от своего нижнего положения (мертвая точка НМТ) до верхнего положения (мертвая точка ВМТ). За один цикл двигатель успевает наполнить камеры сгорания топливом, сжать и поджечь его, а также очистить их. Современные ДВС делают это за два или четыре такта.

Принцип работы двухтактного ДВС

Особенностью такого мотора стало то, что весь рабочий цикл происходит всего за два движения поршня. При движении вверх создается разреженное давление, которое засасывает топливную смесь в камеру сгорания. Вблизи ВМТ поршень перекрывает впускной канал, а свеча зажигания поджигает топливо. Вторым тактом следует рабочий ход и продувка. Выпускной канал открывается после прохождения части пути вниз и обеспечивает выход отработанных газов. После этого процесс возобновляется по новой.

Теоретически, преимуществом такого мотора более высокая удельная мощность. Это логично, ведь сгорание топлива и рабочий такт происходит в два раза чаще. Соответственно, мощность такого двигателя может быть в два раза больше. Но эта конструкция имеет массу проблем. Из-за больших потерь при продувке, большого расхода топлива, а также сложностей в расчетах и «норовистой» работе двигателя, эта технология сегодня используется только на малокубатурной технике.

Интересно, что полвека назад активно велись разработки дизельного двухтактного ДВС. Процесс работы практически не отличался от бензинового аналога. Однако, несмотря на преимущества такого мотора, от него отказались из-за ряда недостатков.

Основным минусом стал огромный перерасход масла. Из-за комбинированной системы смазки топливо попадало в камеру сгорания вместе с маслом, которое потом попросту выгорало или удалялось через выпускную систему. Большие тепловые нагрузки также требовали более громоздкой системы охлаждения, что увеличивало габариты мотора. Третьим минусом стал большой расход воздуха, который вел к преждевременному износу воздушных фильтров.

????Преимущества и недостатки ДВС

На сегодняшний день оптимальный вариант двигателей для механических транспортных средств – ДВС. Среди преимуществ таких агрегатов можно выделить:

• простота в ремонте;
• экономичность для дальних поездок (зависит от его объема);
• большой рабочий ресурс;
• доступность для автомобилиста среднего достатка.

Идеального мотора пока еще не создали, поэтому данные агрегаты имеют и некоторые недостатки:

• чем сложнее агрегат и сопутствующие системы, тем дороже их обслуживание (пример – моторы EcoBoost);
• требует тонкую настройку системы подачи топлива, распределения зажигания и других систем, что требует определенных навыков, иначе мотор будет работать не эффективно (или вообще не заведется);
• больший вес (по сравнению с электрическими двигателями);
• износ кривошипно-шатунного механизма.

Несмотря на оснащение многих ТС другими типами моторов («чистые» автомобили, работающие от электротяги), ДВС еще долгое время будут сохранять конкурентные позиции благодаря своей доступности. Гибридные и электрические версии авто набирают популярность, однако из-за дороговизны таких ТС и стоимости их обслуживания они пока не доступны рядовому автомобилисту.

Распространенные вопросы:

Общее диагностирование двигателя

Двигатель — это наиболее сложный и важный агрегат автомобиля, от состояния которого зависят многие технические, экономические и надежностные показатели работы.

Во время работы элементы двигателя подвергаются износу (нарушение герметичности надпоршневого пространства, уплотнение головки блока цилиндров и т.д.). В результате ухудшается наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью, снижается давление сжатия и, как следствие, изменяется объемный КПД двигателя, уменьшаются развиваемая мощность и крутящий момент, ухудшается топливная экономичность, увеличивается расход моторного масла, повышается токсичность отработавших газов.

Неисправности и отказы по двигателю в основной возникают в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах, системах питания, зажигания, охлаждения и смазки.

Таблица. Распределение неисправностей двигателя и трудоемкость их устранения, %

Механизмы и системы	Неисправности	Трудоемкость
Кривошипно-шатунный механизм	19	45
Газораспределительный механизм	4	7
Система охлаждения	10	6
Система смазки	2	2
Система питания	14	14
Система зажигания	51	26

В целом количество отказов и неисправностей двигателей в общей структуре отказов автомобиля может достигать для отдельных моделей до 35…55 %.

Таблица. Распределение отказов и неисправностей по автомобилю MA3-5432, %

Наименование узла, агрегата	Отказы и неисправности
Двигатель и его системы	46,9
Подвеска, колеса, шины	12,4
Тормозная система	10,4
Рулевое управление	7,4
Коробка передач	6,6
Центральный редуктор	4,9
Сцепление	4,4
Колесная передача	2,7
Аккумуляторная батарея	2,3
Карданная передача	2,0

В связи со случайным характером возникновения отказов невозможно точно предугадать момент их наступления, поэтому целесообразно регулярно контролировать техническое состояние двигателя.

ДЛЯ проверки работоспособности и прогнозирования безотказности работы автомобильного двигателя в соответствии с ГОСТ 23435-79 «Техническая диагностика. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Номенклатура диагностических параметров» используются следующие параметры:

• эффективная мощность двигателя (или изменение частоты вращения коленчатого вала при последовательном отключении каждого из цилиндров, ускорение вращения коленчатого вала при разгоне без нагрузки, характеристики вибрации, шума или звука)
• давление масла в главной масляной магистрали
• удельный расход топлива
• токсичность отработавших газов для бензиновых двигателей
• дымность отработавших газов для дизелей

Плюсы и минусы

ДВС, как и любой тип двигателя, имеет свои преимущества и недостатки.

К плюсам относятся следующие особенности:

 1. Небольшой вес. Обычно такие устройства занимают мало места и имеют низкий вес.

 2. Высокая мощность. На сегодняшний день почти все ДВС обладают высоким значением лошадиных сил. Чем «сильнее» «движок», тем дороже он стоит и больше потребляет топлива.

 3. Есть возможность преодолеть большие расстояния. Эта проблема особо актуальна для тех, кто ездит в другие города ежедневно.

 4. Быстрая заправка. Сегодня заправки расположены повсеместно, поэтому автолюбителям не придется бояться за пустой бак. Заправка длится не более 10 минут.

 5. Простота эксплуатации. Большинство моторов, независимо от их типа, имеют схожую систему. Поэтому разобраться в работе двигателя сможет каждый водитель.

 6. Доступность. Сегодня автомобилем с ДВС никого не удивишь, они эксплуатируются повсеместно. На вторичном рынке их стоимость еще дешевле, так что каждый человек может позволить себе купить такое авто.

 7. Большой ресурс работы. Моторы, выпускаемые сегодня, способны функционировать ни один год подряд, а десятки лет. Возможно, кто-то скажет, что их надежность все же снижается, но это не исключает тот факт, что качество по-прежнему остается «на уровне».

Перечислив все преимущества ДВС, перейдем к недостаткам, которые, к сожалению, также встречаются у данного типа двигателя.

Минусы у ДВС следующие:

 1. Высокая степень выбросов в атмосферу во время езды автомобиля. Дело в том, что топливо не до конца сгорает, и в этом заключается главная проблема. Чтобы авто двигалось, требуется всего лишь 15% горючего, а все остальное уходит в воздух. Отработанный газ содержит множество вредных и токсичных веществ, а также тяжелых металлов.

 2. Требуется коробка переключения передач. Устройство обязательно, так как нужно, чтобы менялось передаточное число. Оно регулирует обороты двигателя, который перенаправляет энергию на колеса, а они вращаются либо быстро, либо медленно.

 3. Регулярная замена масла. Менять масло нужно каждые 10 000 км. Это нужно обязательно делать, так как жидкость загрязняется, а мелкие частицы грязи попадают в «движок».

 4. Высокая цена на топливо. Бензин и солярка с каждым годом возрастают в цене, соответственно, совсем скоро передвижение на авто с ДВС станет роскошью. Чтобы сэкономить на топливе, можно установить газовое оборудование, так как цена газа вдвое ниже остального горючего.

 5. Низкий КПД. Этот параметр наглядно показывает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии. Показатель выражается в процентах. К примеру, электродвигатели имеют КПД около 95%, но в ДВС такие значения невозможны.

 6. Ограниченный ресурс дешевых моторов. Изготовители, выпускающие двигатели по низкой стоимости, используют некачественные детали. Они быстро изнашиваются и «выходят из строя». Но если водитель будет использовать смазку, а также вовремя менять расходные материалы, то «движок» прослужит дольше.

Таким образом, мы выяснили, что ДВС имеет как много преимуществ, так и много недостатков. Несмотря на это, он является одним из самых эффективных устройств на сегодняшний день.