Основные узлы автомобильных двигателей и их типы

Что такое ДВС?

Двигатель внутреннего сгорания — это машина, преобразующее тепловую энергию в механическую работу. Работа всех двигателей складывается из нескольких тактов двух или четырех. Такие двигателя так и называются - двухтактные и четырехтактные.
Последовательность тактов в четырехтактном двигатели:
1. впуск воздуха (дизель) или его смеси с топливом (бензин);
2. сжатие рабочей смеси;
3. рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
4. выпуск отработавших газов.

Все двигателя внутреннего сгорания состоят из нескольких основных механизмов:
1. Газораспределительный механизм (ГРМ);
2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
Два основных механизма связаны между собой механическим путем, с помощью привода ГРМ.

Газораспределительный механизм

Механизм газораспределения служит для своевременной подачи топливовоздушной смеси, а также для вывода отработавших газов с цилиндров двигателя. Вся работа ГРМ завязана с тактами двигателя и разбросана по определенным углам положения коленчатого вала. Привод механизма ГРМ осуществляется множеством способов, но все они берут свое начало от хвостовика коленчатого вала. Обычно на легковых автомобилях привод ГРМ осуществляется через зубчатый ремень или цепь, на грузовых автомобилях с помощью зубчатого зацепления. Очевидно, что гибкий ремень имеет множество недостатков: низкий срок службы, изменение длины, вследствие чего нарушается работа механизма, обрыв ремня во время работы и т.д. Цепная передача лишена большей части этих недостатков, но все же имеет свои - высокий уровень шума, высокая цена ремонта. Но не стоит забывать, что срок службы цепи намного выше ременной передачи. Такой тип привода, как зубчатая передача, в настоящее время используется только на грузовых автомобилях и во время эксплуатации почти не требует внимания, однако также не лишен недостатков: высокий уровень шума (при использовании прямозубого зацепления) и очень высокая стоимость ремонта. Все недостатки зубчатой передачи начинают проявляться толкьо при очень значительном пробеге, как правило сам автомобиль не доживает то этого момента.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) служит для преобразования возвратно-поступательных движений во вращательные. Этот механизм состоит из нескольких основных подвижных деталей: коленчатый вал, шатун, поршень, поршневой палец, маховик. Поршень совершает возвратно-поступательные движения, именно на него давит рабочая смесь в момент такта расширения, сжатия, выпуска. Поршень передает усилие от газов на шатун, а также принимает силу от шатуна в момент сжатия. Поршень обычно изготавливают из алюминиевых сплавов - такой подход необходим для снижения веса детали и увеличения коэффициента теплоотвода. Шатун - главной отличительной особенностью шатуна является его комбинированное движение. Верхняя головка шатуна совершает только возвратно-поступательное движение вместе с поршнем, а нижняя головка - вращательное движение вместе с шатунной шейкой коленчатого вала. Также шатун передает усилие разного вектора, в такт сжатия усилие передается от коленчатого вала к поршню, а при такте расширения наоборот, от поршня к коленчатому валу. Коленчатый вал - эта деталь КШМ является основной, именно на нее приходится значительная часть нагрузок: кручение, изгиб, срез и т.д. Надежность коленчатого вала очень важна, поэтому к нему предъявляют много требований и выполняют со значительным коэффициентом запаса прочности. Маховик служит для сглаживания неравномерности вращения коленчатого вала (неравномерность получается из-за разности сил в КШМ, в зависимости от тактов) и представляет собой аккумулятор (накопитель) кинетической энергии. Обычно маховик - это массивное вращающееся колесо.
К неподвижным деталям относятся блок цилиндров, гильзы цилиндров, крышки коренных шеек.

Механизм (КШМ) работает в очень тяжелых условиях и соответственно чаще всех остальных выходит из строя.

Система питания двигателей внутреннего сгорания.

Как известно, двигатель внутреннего сгорания работает на тепловой энергии. Тепловую энергию можно получить множеством способов, один из таких способов это сжигание природного топлива (бензина, дизтоплива, керосина и т.п.) в камере сгорания двигателя. Бензин - это продукт нефтеперегонки, наиболее легкая фракция нефти, получаемая с помощью технологии гидрокрекинга. Дизтопливо (в народе называемое соляркой) более тяжелый продукт перегонки нефти. Двигатель внутреннего сгорания обычно сориентирован на определенный тип топлива - либо бензин, либо дизтопливо. Но существуют и такие типы двигателей, которые могут использовать в качестве теплоносителя разные виды топлива, обычно такие двигатели применяются на военной технике. Для использования такого топлива в двигателях внутреннего сгорания необходима система подачи, система питания. Система питания служит для подачи топлива в камеру сгорания (дизель) или приготовления рабочей смеси в не камере сгорания (бензиновые двигателя), обычно инжекторная система или карбюраторная система. В дизелях система питания очень сложна и работа ее заключается в подаче под высоким давлением распыленного топлива в камеру сгорания, где в дальнейшем происходит его полное (в теории) сгорание с выделением теплоты. Инжекторная система - это система внешнего смесеобразования, образование рабочей смеси происходит вне камеры сгорания, обычно во впускном коллекторе. В настоящее время все чаще стали использоваться системы с прямым впуском, работа такой системы очень схожа с системой питания дизелей, но алгоритм ее работы кардинально отличается от дизельной. Карбюраторное смесеобразование - наиболее устаревший вид смесеобразования и, как правило, в настоящее время редко используется, однако в грузовых автомобилях такой тип системы питания продолжают использовать.

Преимущества и недостатки

Бензиновый двигатель - это низкоэффиективная тепловая машина, которая способна преобразовывать всего лишь около 20-30% тепловой энергии топлива в полезную работу. Дизельный двигатель - более эффективная машина, обычно он имеет коэффициент полезного действия в 30-40%, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением свыше 50% (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт*ч, достигая эффективности 54,4%). Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла. Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — смесь не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1кг массы двигателя. Это послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Юнкерс, а также советский тяжелый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А.Д.Чаромского и Т.М.Мелькумова). На максимальной эксплуатационной мощности смесь в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи («тепловоз дает медведя»). Дизельный двигатель не имеет дроссельной заслонки, регулирование мощности осуществляется регулированием количества впрыскиваемого топлива. Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя.

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя без наддува