Устройство двигателя внутреннего сгорания¶
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловая машина, в которой химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу за счёт сгорания рабочей смеси непосредственно в рабочей полости цилиндра. Является наиболее распространённым типом силовой установки в автомобильном, авиационном и сельскохозяйственном транспорте. Принцип действия основан на четырёхтактном цикле, описанном Николаусом Отто в 1876 году, либо на двухтактном цикле.
¶Основные компоненты
Ключевые элементы двигателя:
- Блок цилиндров — основная несущая деталь, в которой расположены цилиндры, рубашка системы охлаждения и каналы смазки. Изготавливается из чугуна или алюминиевого сплава.
- Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Включает поршни, поршневые кольца, шатуны, коленчатый вал и маховик.
- Газораспределительный механизм (ГРМ) — управляет впускными и выпускными клапанами, обеспечивая своевременную подачу рабочей смеси и отвод отработавших газов. Приводится в движение от коленчатого вала ремнём или цепью.
- Система питания — готовит и подаёт топливовоздушную смесь в цилиндры (карбюратор, инжектор, топливные форсунки).
- Система зажигания — обеспечивает искрообразование в свечах зажигания (только для бензиновых двигателей).
- Система смазки — подаёт моторное масло к трущимся парам, уменьшая трение и отводя тепло.
- Система охлаждения — отводит избыточное тепло от блока цилиндров и головки блока, поддерживая рабочую температуру 80–105 °C.
¶Рабочий цикл
Четырёхтактный цикл Отто состоит из последовательных тактов:
- Впуск — поршень движется вниз, впускной клапан открыт, в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь.
- Сжатие — оба клапана закрыты, поршень движется вверх, сжимая смесь до давления 8–12 единиц.
- Работа (расширение) — свеча зажигания подаёт искру, смесь воспламеняется, газы толкают поршень вниз, совершая полезную работу.
- Выпуск — поршень движется вверх, выпускной клапан открыт, отработавшие газы вытесняются в выпускной коллектор.
Порядок работы цилиндров в многоцилиндровом двигателе задан конструктивно (например, 1-3-4-2 для четырёхцилиндрового мотора) и обеспечивает равномерность вращения коленчатого вала.
¶Классификация
По типу топлива различают бензиновые, дизельные, газовые (на сжиженном или сжатом природном газе) и гибридные установки. По типу смесеобразования — карбюраторные и инжекторные. По способу воспламенения — с принудительным искровым зажиганием (бензин) и с воспламенением от сжатия (дизель). По конфигурации цилиндров — рядные, V-образные, оппозитные, W-образные, роторно-поршневые (по Ванкелю).
¶Материалы и точность изготовления
Блок цилиндров современного легкового автомобиля чаще всего отливают из алюминиевого сплава с чугунными гильзами — это снижает массу двигателя и улучшает теплоотвод. Коленчатые валы изготавливают из кованой стали или высокопрочного чугуна с последующей шлифовкой шеек. Поршни — из алюминиевых сплавов, покрытых антифрикционными составами. Допуски на размеры сопряжений измеряются сотыми долями миллиметра: зазор между поршнем и стенкой цилиндра составляет около 0,02–0,05 мм.
¶Система смазки
Масляный насос забирает масло из поддона и подаёт его под давлением к коренным и шатунным подшипникам, опорным поверхностям распределительного вала, а также через масляные форсунки — к поршневым пальцам и днищу поршня. Избыток масла стекает обратно в поддон самотёком. Масляный фильтр задерживает продукты износа и нагар. Применяются минеральные, полусинтетические и синтетические масла, различающиеся вязкостью (классы SAE 0W-20, 5W-30, 5W-40 и другие).
¶Система охлаждения
Замкнутая жидкостная система включает водяной насос, рубашку охлаждения в блоке и головке, радиатор, термостат и вентилятор. Термостат переключает циркуляцию между малым кругом (прогрев двигателя) и большим (работа при рабочей температуре). Воздушное охлаждение применяется преимущественно в авиационных и некоторых мотоциклетных двигателях.
¶Кривошипно-шатунный механизм
Коленчатый вал имеет коренные шейки (опорные) и шатунные (кривошипные), соединённые щеками. Шатун передаёт усилие от поршня к шатунной шейке. Маховик сглаживает колебания вращения и служит опорой для сцепления. В современных моторах применяются балансирные валы, уменьшающие вибрации.
¶Газораспределительный механизм
Распределительный вал, приводимый от коленчатого вала, через кулачки нажимает на толкатели, шайбы или рычаги (rocker arms), открывая клапаны. В двигателях с изменяемыми фазами газораспределения (VVT) положение распредвала корректируется гидравлическими приводами, что расширяет диапазон эффективной мощности. Некоторые конструкции (например, BMW Valvetronic) позволяют регулировать высоту подъёма клапана.
¶Ресурс и обслуживание
Заявленный ресурс современного бензинового двигателя легкового автомобиля составляет 250–350 тыс. км, дизельного — 400–500 тыс. км при условии своевременной замены масла, фильтров и ремня (цепи) ГРМ. Ремонтопригодность зависит от конструкции: модульные двигатели сложнее в ремонте, но легче в замене.
Источники:
- Хлапонин М. Ю. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Вихерт М. М. «Устройство автомобильных двигателей»
- Кулешов В. В. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Справочник «Двигатели внутреннего сгорания» под ред. Стоянова Б. Ф.