Оппозитный турбодизель с противоположно движущимися поршнями. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом и комбинированной схемой газообмена

Допустим, сын спросит вас: «Папа, а какой самый-самый удивительный мотор на свете»? Что вы ему ответите? 1000-сильный агрегат от Bugatti Veyron? Или новый турбодвигатель AMG? Или мотор Volkswagen с двойным наддувом?

В последнее время появилось немало крутых изобретений, и все эти наддувы-впрыски кажутся удивительными… если не знать . Ибо самый удивительный мотор, о котором я знаю, был сделан в Советском Союзе и, как вы догадались, не для «Лады», а для танка Т-64. Он назывался 5ТДФ, и вот несколько удивительных фактов.

Он был пятицилиндровым, что само по себе необычно. У него было 10 поршней, десять шатунов и два коленчатых вала. Поршни двигались в цилиндрах в противоположных направлениях: сначала навстречу друг другу, потом обратно, снова навстречу и так далее. Отбор мощности осуществялся с обоих коленчатых валов, чтобы было удобно для танка.

Двигатель работал по двухтактному циклу, и поршни играли роль золотников, открывавших впускные и выпускные окна: то есть никаких клапанов и распредвалов у него не было. Конструкция была гениальной и эффективной – двухтактный цикл обеспечивал максимальную литровую мощность, а прямоточная продувка – высокое качество наполнение цилиндров.

Ко всему прочему 5ТДФ был дизелем с непосредственным впрыском, где топливо подавалось в пространство между поршнями незадолго до момента, когда они достигали максимального сближения. Причем, впрыск осуществлялся четырьмя форсунками по хитрой траектории, чтобы обеспечить мгновенное смесеобразование.

Но и этого мало. Двигатель имел турбокомпрессор с изюминкой – огромных размеров турбина и компрессор размещались на валу и имели механическую связь с одним из коленчатых валов. Гениально - на режиме разгона компрессор подкручивался от коленчатого вала, что исключало турбояму, а когда поток выхлопных газов как следует раскручивал турбину, мощность от нее передавалась на коленчатый вал, повышая экономичность мотора (такая турбина называется силовой).

Ко всему прочему мотор был многотопливным, то есть мог работать на дизтопливе, керосине, авиационном топливе, бензине или любой их смеси.

Плюс к этому еще полсотни необычных решений, вроде составных поршней со вставками из жаропрочной стали и системы смазки с сухим картером, как у гоночных автомобилей.

Все ухищрения преследовали две цели: сделать мотор максимально компактным, экономичным и мощным. Для танка важны все три параметра: первый облегчает компоновку, второй улучшает автономность, третий – маневренность.

И результат получился впечатляющим: при рабочем объеме 13,6 литра в самой форсированной версии мотор развивал более 1000 л.с. Для дизеля 60-х годов это был великолепный результат. По удельной литровой и габаритной мощностям мотор превосходил аналоги других армий в несколько раз. Я видел его вживую, и компоновка действительно поражает воображение – прозвище «Чемодан» ему очень идет. Я бы даже сказал «плотно набитый чемодан».

Он не прижился из-за чрезмерной сложности и дороговизны. На фоне 5ТДФ любой автомобильный мотор – даже от Bugatti Veyron – кажется каким-то до нельзя банальным. И чем черт не шутит, техника может сделать виток и снова вернуться к решениям, когда-то использованным на 5ТДФ: двухтактному дизельному циклу, силовым турбинам, многофорсуночному впрыску.

Началось же массовое возвращение к турбомоторам, которые одно время считались слишком сложными для неспортивных машин…

Национальный университет кораблестроения

им. адм. Макарова

Кафедра ДВС

Конспект лекций по курсу двс (сдвс) Николаев – 2014

	Тема 1. Сравнение ДВС с другими типами тепловых двигателей. Классификация ДВС. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в ДВС и их маркировка………………………………………………...
	Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без……………………………………………..
	Тема 3. Основные конструктивные схемы разных типов ДВС. Конструктивные схемы остова двигателя. Элементы остова двигателя. Назначение. Общее строение и схема взаимодействия элементов КШМ ДВС……………………………………...
	Тема 4. Системы ДВС…………………………………………………...
	Тема 5. Допущения в идеальном цикле, процессы и параметры цикла. Параметры рабочего тела в характерных местах цикла. Сравнение разных идеальных циклов. Условия протекания процессов в расчетном и действительном циклах……………
	Тема 6. Процесс наполнения цилиндра воздухом. Процесс сжатия, условия прохождения, степень сжатия и ее выбор, параметры рабочего тела при сжатии…………………………………..
	Тема 7. Процесс сгорания. Условия выделения и использования тепла при сгорании топлива. Количество воздуха необходимое для сгорания топлива. Факторы, влияющие на эти процессы. Процесс расширения. Параметры рабочего тела в конце процесса. Работа процесса. Процесс выпуска отработавших газов…………………………………………………….
	Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя..
	Тема 9. Наддув ДВС как способ повышения технико-экономических показателей. Схемы наддува. Особенности рабочего процесса двигателя с наддувом. Способы использования энергии отработавших газов…………………………………………………...
	Литература ………………………………………………………………

Тема 1. Сравнение двс с другими типами тепловых двигателей. Классификация двс. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в двс и их маркировка.

Двигатель внутреннего сгорания – это такой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания на поршень, возвратно-поступательное движение которого, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, приводящего в движение гребной винт, электрический генератор, насос или другой потребитель энергии.

ДВС можно классифицировать по следующим основным признакам:

– по роду рабочего цикла – с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении газов и со смешанным подводом теплоты, т. е. вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении газов;

– по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);

– по способу воздухоснабжения – с наддувом и без наддува. В четырехтактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью) всасывающим ходом поршня, а в двухтактных ДВС – продувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. Во всех ДВС с наддувом наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором. Двигатели с наддувом нередко называют комбинированными, так как помимо поршневого двигателя они имеют и компрессор, подающий воздух в двигатель при повышенном давлении;

– по способу воспламенения топлива – с воспламенением от сжатия (дизели) н с искровым зажиганием (карбюраторные к газовые);

– по роду применяемого топлива – жидкого топлива и газовые. К ДВС жидкого топлива относятся и многотопливные двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на различных топливах. К газовым ДВС относятся и двигатели с воспламенением от сжатия, в которых основное топливо газообразное, а жидкое топливо в небольшом ко­личестве используется как запальное, т. е. для воспламе­нения;

– по способу смесеобразования – с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с внешним смесеобразованием, ко­гда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием). Основные способы внутреннего смесеобразования – объемное, объемно-пленочное и пленочное ;

– по типу камеры сгорания (КС) – с неразделенны­ми однополостными КС, с полуразделенными КС (КС в порш­не) и разделенными КС (предкамерные, вихрекамерные и воз­душно-камерные КС);

– по частоте вращения коленчатого вала n – малооборотные (МОД) с n до 240 мин -1 , среднеоборотные (СОД) с 240 < n < 750 мин -1 , повышенной оборотности (ПОД) с 750 1500 мин-1;

– по назначению – главные, предназначенные для при­вода судовых движителей (гребных винтов), и вспомогатель­ные, приводящие в движение электрические генераторы судовых электростанций или судовые механизмы;

– по принципу действия – простого действия (рабо­чий цикл совершается только в одной полости цилиндра), двой­ного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях ци­линдра над и под поршнем) и с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механи­чески связанных поршня, движущихся в противоположных на­правлениях, с помещенным между ними рабочим телом);

– по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ) – тронковые и крейцкопфные. В тронковом двигателе силы нормального давления, возникающие при наклоне шатуна, передаются направляющей частью поршня – тронком, скользящим во втулке цилиндра; у крейцкопфного двигателя поршень не создает сил нормального давления, возникающих при наклоне шатуна, нормальное уси­лие создается в крейцкопфном соединении и передается ползу­нами на параллели, которые закреплены вне цилиндра на ста­нине двигателя;

– по расположению цилиндров – вертикальные, го­ризонтальные, однорядные, двухрядные, У-образные, звездо­образные и т. п.

Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:

– верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соот­ветствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

– ход поршня , т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;

– объем камеры сгорания (или сжатия ), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

– рабочий объем цилиндра , который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками.

Марка дизеля дает представление о его типе и основных размерах. Маркировку отечественных дизелей осуществляют в соответствии с ГОСТ 4393-82 «Дизели стационарные, судовые, тепловозные и промышленные. Типы и основные параметры». Для маркировки приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр:

Ч – четырехтактный;

Д – двухтактный;

ДД – двухтактный двойного действия;

Р – реверсивный;

С – с реверсивной муфтой;

П – с редукторной передачей;

К – крейцкопфный;

Г – газовый;

Н – с наддувом;

1А, 2А, ЗА, 4А – степень автоматизации по ГОСТ 14228-80.

Отсутствие в условном обозначении буквы К означает, что дизель тронковый, буквы Р – дизель нереверсивный, а буквы Н – дизель без наддува. Цифры в марке перед буквами указывают число цилиндров, а после букв: число в числителе – диаметр цилиндра в сантиметрах, в знаменателе – ход поршня в сантиметрах.

В марке дизеля с противоположно движущимися поршнями указывают оба хода поршня, соединенных знаком «плюс», если ходы разные, или произведение «2 на ход одного поршня» при равенстве ходов.

В марке судовых дизелей производственного объединения «Брянский машиностроительный завод» (ПО БМЗ) дополнительно указывается и номер модификации, начиная со второй. Этот номер приводится в конце маркировки по ГОСТ 4393-82. Ниже приведены примеры маркировки некоторых двигателей.

12ЧНСП1А 18/20 – дизель двенадцатнцилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, автоматизированный по 1-й степени автоматизации, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см.

16ДПН 23/2 X 30 – дизель шестнадцатицилиндровый, двухтактный, с редукторной передачей, с наддувом, с диаметром цилиндра 23 см и с двумя противоположно движущимися поршнями, имеющими каждый ход 30 см,

9ДКРН 80/160-4 – дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см, четвертой модификации.

На некоторых отечественных заводах кроме обязательной по ГОСТу марки выпускаемым дизелям присваивают и марку заводскую. Например, заводской марке Г -74 (завод «Двигатель революции») соответствует марка 6ЧН 36/45.

В большинстве зарубежных стран маркировка двигателей не регламентируется стандартами, а фирмы-строители используют собственные системы условных обозначений. Но даже одна и таже фирма нередко меняет принятые обозначения. Все же необходимо отметить, что многие фирмы в условных обозначениях указывают основные размеры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня.

Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без.

Четырехтактный ДВС.

Четырехтактный ДВС На рис. 2.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 2.1. Принцип работы четырехтактного ДВС

1-й такт – впуск или наполнение . Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха (или рабочей смеси в карбюраторном двигателе) перед впускным патрубком р о. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r ), т. е, с углом опережения 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а" ), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а ) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр- Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания 20...45° после НМТ.

Углы опережения и запаздывания определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие . При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n ) при высоком давлении, обеспечивающей качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол впрыска на номинальном режиме в МОД обычно равен 1...9°, а в СОД – 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с ) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е, воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z ), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошнпно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b ’ ), которое происходит с опережением 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, когда клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск . Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.

Принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя отличается от дизеля тем, что рабочая смесь – топливо и воздух – приготовляется вне цилиндра (в карбюраторе) и поступает в цилиндр в период 1-го такта; смесь воспламеняется в районе ВМТ от электрической искры.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью a с zba (площадь с наклонной штриховкой, см, 4-й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления р о под поршнем), равную площади над кривой r " ma до горизонтальной линии, соответствующей давлению р о. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr" до горизонтальной линии р о. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т. е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов, В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям, В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной.

Двухтактный ДВС.

В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е, процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом (в дизелях) или горючей смесью (в карбюраторных и газовых двигателях). Предварительное сжатие воздуха или смеси происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется из цилиндра вместе с отработавшими газами через выпускные органы. В связи с этим подача продувочного или наддувочного компрессора должна быть достаточной, чтобы компенсировать эту утечку заряда.

Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны – в крышке цилиндра.

Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 2.2. Рабочий цикл имеет два такта.

1-й такт – ход поршня от НМТ (точка m ) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d"), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b " ), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с ). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр. Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск , продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива .

Рис. 2.2. Принцип работы двухтактного ДВС

2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z ) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b ), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа в цилиндре и выпускном коллекторе 4 . Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d ) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха р s в продувочном ресивере 2 .

Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива , его сгорание , расширение газов , выпуск отработавших газов , продувка и наполнение свежим зарядом . Во время этого такта осуществляется рабочий ход , обеспечивающий полезную работу.

Индикаторная диаграмма, представленная на рис. 2, одинакова как для дизеля без наддува, так и для дизеля с наддувом. Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md " b "с zbdm .

Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта.

Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания

Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.

Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.

На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:

• часто называемый легким;
• четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
• обладающие повышенными мощностными характеристиками.

Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.

Преимущества двигателей внутреннего сгорания

В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:

• гораздо более компактные размеры;
• более высокие показатели мощности;
• оптимальные значения КПД.

Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.

Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.

Краткий исторический экскурс

Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.

Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.

А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.

Основные виды и типы ДВС

Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.

Бензиновые двигатели

Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.

В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:

• Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
• Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска "Коммон Рейл". Устанавливаются почти на все современные автомобили.

Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.

Дизельные двигатели

На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.

Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:

• гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
• большими габаритами и весовыми характеристиками;
• сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
• недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.

Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.

Газовые двигатели

Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.

На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.

Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания

Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?

Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.

Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания

Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.

Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.

Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.

Полезная модель относится к области двигателестроения. Предложена конструкция двигателя, работающего по двухтактному циклу с наддувом и комбинированной схемой газообмена, при которой в течение первой фазы происходит продувка и наполнение цилиндра одним воздухом по обычной кривошипно-камерной схеме газообмена, при второй фазе происходит наддув цилиндра, переобогащенной в карбюраторе, сжатой в компрессоре топливной смесью через впускные окна в цилиндре, имеющие фазы впуска, превышающие фазы выпуска. Для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер при такте расширения, окна закрыты специальным кольцом, выполняющим роль золотника, управляемым кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала, либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно.

Двигатель выполнен с двумя противолежащими цилиндрами, установленными на одном общем картере, и тремя коленчатыми валами, из которых один имеет два кривошипа, расположенных под углом 180° относительно друг друга. Цилиндры содержат поршни с двумя поршневыми пальцами, соединенными шатунами с кривошипами коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Поршни состоят из головки с компрессионными кольцами и двухсторонней юбки. Нижняя часть юбки выполнена в виде фартука, прикрывающего выпускные окна при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). При положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) фартук размещен в зоне, занимаемой коленчатыми валами. Верхняя часть юбки при положении поршня в ВМТ входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания. Каждый цилиндр двигателя снабжен индивидуальным компрессором, поршни которых при помощи штока соединены с поршнями двигателя противолежащих цилиндров.

Экономический эффект от снижения расхода топлива при стоимости бензина 35 руб./л. будет составлять около 7 руб./кВт·ч, т.е. двигатель мощностью 20 кВт за ресурс 500 моточасов сэкономит около 70000 рублей или 2000 литров бензина.

Учитывая наличие высоких энерго-экономических показателей по мощности, массе и габаритам, обеспечиваемых применением 2-х тактного цикла, наддува, снижением на 2530% расхода топлива, при сохранении моторесурса в прежних пределах 5001000 моточасов за счет уменьшения нагрузок на шатунные подшипники коленчатых валов при их удвоении, предлагаемая конструкция двигателя в 2-х или 4-х цилиндровом исполнении мощностью в пределах 2060 кВт может найти применение в силовых установках летательных аппаратов, глиссирующих маломерных судов с движетелями в виде воздушных или гребных винтов, портативных мотоизделий, применяемых населением, в ведомствах МЧС, армии и флота, а также в других установках, где требуется малая удельная масса и габариты.

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к двухтактным карбюраторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), передающим усилия от давления газов на поршень кривошипом коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра и вращающихся в противоположных направлениях.

Указанные двигатели обладают рядом преимуществ, главные из которых возможность уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс за счет противовесов коленчатых валов, отсутствие сил, вызывающих повышенное трение поршня о стенки цилиндра, отсутствие реактивного крутящего момента, высокие удельные энерго-экономические параметры по мощности, массе и габаритам, сниженные нагрузки на шатунные подшипники коленчатого вала, которые, в основном, лимитируют ресурс двигателя.

Известен двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, причем, каждый из них соединен шатуном с одним из поршневых пальцев. (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент RU 116906 U1. Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Бюл. 16. 2012.).

Двигатель отличается тем, что поршень выполнен в виде головки с двухсторонней юбкой, нижняя часть юбки при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, верхняя часть юбки, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), частично входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания, причем впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные окна расположены над головкой поршня при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки.

Известна конструкция двигателя, выполненная по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, обеспечивающая повышение мощности за счет применения наддува (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Заявка 2012132748/06 (051906). Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Получена ФИПС 31.07.12), где соосно цилиндру двигателя размещен цилиндр компрессора (нагнетателя), поршень которого при помощи штока соединен с поршнем двигателя, наружная нагнетательная полость насоса соединена каналами с внутри-картерным пространством, от которого его внутренняя полость изолирована с помощью уплотняющей втулки, размещенной на штоке и зафиксированной между двух половин картера. Наружная полость компрессора обеспечивает дополнительную подачу топливной смеси в картер двигателя. Для возможности обеспечения дозарядки цилиндр двигателя оборудован дополнительными впускными (продувочными) окнами, расположенными над основными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, при этом между ними в плоскости разъема цилиндра и картера размещены обратные пластинчатые клапаны, предотвращающие попадание продуктов сгоревшего топлива из цилиндра в картер, когда давление в нем превышает давление внутри картера. Указанный двигатель является прототипом предлагаемой конструкции ПМ.

Все карбюраторные двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена (продувкой и наполнением цилиндра свежей топливной смесью), в том числе и прототип, обладают общим существенным недостатком - повышенным расходом топлива, связанным с потерей части топлива при продувке, осуществляемой непосредственно топливной смесью.

Работы по устранению этого недостатка практически ведутся в одном направлении - осуществлении продувки чистым воздухом и применении непосредственного впрыска топлива в цилиндр. Основная трудность, сдерживающая внедрение систем непосредственного впрыска топлива на двухтактных двигателях - высокая стоимость топливоподающей аппаратуры, которая на малоразмерных двигателях или двигателях, работающих эпизодически (например, пожарная мотопомпа), при существующих ценах не окупается за весь период их эксплуатации.

Вторая причина - проблема обеспечения работоспособности топливной аппаратуры и качества смесеобразования в связи с необходимостью двукратного увеличения частоты подачи топлива в цилиндр при использовании двухтактного цикла и дальнейшего ее увеличения с учетом тенденций роста скоростных режимов ДВС, и особенно малоразмерных, работающих по двухтактному циклу.

Однако, не следует ожидать, что создание новой, более совершенной аппаратуры для «двухтактников» повысит экономическую целесообразность ее применение на указанных выше двигателях, т.к. будет еще дороже.

Техническим результатом предлагаемой конструкции двигателя является снижение удельного расхода топлива до величины 380410 г/кВт·ч, что на 2530% ниже, чем у серийно выпускаемых двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена (Перспективы двухтактных ДВС на ЛА авиации общего назначения. В. Новосельцев (http://www.aviajournal.com/arhiv/2004/06/02.html), при сохранении высоких энергетических и других показателей, обеспечивающих его конкурентоспособность.

Для достижения указанного результата использован комплекс конструктивных решений:

1. Применен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, с двумя противолежащими цилиндрами, установленными на одном общем картере, обеспечивающий передачу сил от давления газов на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Применение указанной схемы позволяет использовать их преимущества, указанные выше, и рационально разместить поршневые компрессоры с их приводом для осуществления наддува.

2. Для реализации двухтактного цикла работы двигателя с кривошипно-камерной продувкой и улучшения его параметров уменьшен объем кривошипной камеры, для чего применен поршень в виде головки с двухсторонней юбкой, обеспечивающий размещение нижней юбки в зоне коленчатых валов, а верхней - в зоне кольцевого пространства, расположенного вокруг камеры сгорания.

3. Цилиндры двигателя снабжены тремя комплектами окон, расположенными на различных уровнях: продувочные над днищем головки поршня, при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки поршня. При этом увеличивается «время-сечение» окон, исключаются явления «короткого замыкания» - прямого выброса (топливной) смеси из выпускных окон в выпускные, снижается уровень остаточных газов, весь периметр выпускных окон становится доступным для истечения отработавших газов и почти в два раза сокращается их путь; что способствует сохранению параметров газообмена при увеличении скоростного режима двигателя. Следует также отметить, что устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения, расположено в зоне малонагруженной термически, что выгодно отличает его от подобных устройств, работающих в каналах выпуска отработавших газов на двигателях спортивных машин.

4. Впускные окна, расположенные над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, в отличии от прототипа, закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемого кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно).

5. Для экономии топлива предложена конструкция, обеспечивающая применение комбинированной схемы газообмена путем осуществления продувки цилиндров сначала чистым воздухом из кривошипной камеры, затем их дозарядки (наддуве) переобогащенной топливной смесью за счет применения отдельных для каждого цилиндра компрессоров.

6. Впускной тракт топливной смеси, содержащий карбюратор(ы), обратные пластинчатые клапаны (ОПК), всасывающий и нагнетательный полости компрессора, ресивер и впускные окна цилиндра, разобщен с внутри-картерным пространством, которое оборудовано своей индивидуальной системой впуска воздуха, используемого для продувки цилиндров.

7. Каждый цилиндр двигателя и компрессора выполнены в одном блоке, при этом синхронное движение их поршней в противоположных направлениях достигается наличием связи поршня компрессора с поршнем двигателя противолежащего цилиндра.

8. Необходимые направления вращения коленчатых валов и потоков продувочного воздуха обеспечено применением трех коленчатых валов, из которых один выполнен с двумя кривошипами, расположенными под углом 180° друг к другу, что обеспечивает движение поршней в противоположных направлениях.

9. Для снижения габаритов двигателя нижняя юбка поршня выполнена в виде одностороннего «фартука», обеспечивающего прикрытие выпускных окон при его положении в ВМТ.

10. Для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ нагнетательная полость компрессора отделена от него обратным пластинчатым клапаном.

Конструктивные решения, обладающие признаками, характеризующими новизну предлагаемой модели:

1. Конструкция двухтактного карбюраторного двигателя в оппозитном исполнении с двумя противолежащими цилиндрами, смонтированными на одном картере, и тремя коленчатыми валами, обеспечивающая передачу усилий от поршня на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра (п.п.1 и 2; здесь и далее см. выше);

2. Комбинированная схема газообмена, при которой в течение первой фазы происходит продувка и наполнение цилиндра одним воздухом, во-второй - происходит наддув цилиндра переобогащенной топливной смесью (см. выше, п.5).

3. Отдельный впускной тракт топливной смеси, включающий впускные окна цилиндра, разобщенный с внутри-картерным пространством (п.6).

4. Привод поршней компрессора за счет их связи с поршнями двигателя противолежащих цилиндров (п.7), обеспечивающих движение поршней двигателя и компрессора в противоположных направлениях.

5. Поршень с нижней юбкой, выполненной в виде одностороннего «фартука» (п.9).

6. Устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения (п.4).

7. Размещение цилиндров двигателя и компрессора в одном блоке (п.7).

Компоновка предлагаемой модели двигателя показана на чертежах: на фиг.1 дан горизонтальный разрез по осям цилиндров. На фиг.2 - вертикальный разрез А-А по осям коленчатых валов, на котором также показан редуктор, обеспечивающий кинематическую связь коленчатых валов между собой и видна возможность создания четырехцилиндровой модификации путем установки аналогичного двухцилиндрового двигателя с нижней стороны редуктора.

Цилиндры 1 содержат размещенные в них поршни 2 с двумя поршневыми пальцами, каждый из которых соединен шатуном 3 с кривошипами коленчатых валов 4, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Поршень состоит из головки с компрессионными кольцами и двухсторонней юбки. Нижняя часть юбки выполнена в виде одностороннего фартука, прикрывающего выпускные окна при положении поршня в ВМТ. При положении поршня в НМТ фартук размещен в зоне, занимаемой коленчатыми валами. Верхняя часть юбки при положении поршня в (ВМТ) входит в кольцевое пространство 5, расположенное вокруг камеры сгорания, которая соединена с ним тангенциальными каналами. Каждый цилиндр двигателя снабжен индивидуальным компрессором 6, выполненным в одном с ним блоке, поршни 7 которых при помощи штоков 8 связаны с поршнями двигателя противолежащих цилиндров 2.

Цилиндры двигателя оборудованы впускными окнами 9, расположенными над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска. Для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, окна закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемым кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала 4 (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно). Механизм управления показан на фиг.3.

Нагнетательная полость компрессора соединена каналами не с внутри-картерным пространством, а с ресивером, откуда предварительно переобогащенная в карбюраторе топливная смесь через впускные окна попадает в цилиндр, где, смешиваясь с воздухом, поступившим из картера при продувке и остаточными газами, образует рабочую топливную смесь. Между всасывающей полостью компрессора, изолированного от внутри-картерного пространства, и карбюратором установлены обратные пластинчатые клапаны (на фиг. не показаны), обеспечивающие поступление топливной смеси в компрессор. Для подачи воздуха, используемого для продувки, аналогичные клапаны установлены на картере со стороны цилиндров двигателя. Клапаны 12, установленные на выходе смеси из компрессора, предназначены для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ.

Принятая компоновка с тремя коленчатыми валами обеспечивает рациональное расположение цилиндров двигателя и компрессора для организации поступления топливной смеси из компрессора в двигатель, снижает сопротивление потоку продувочного воздуха при его перепуске из картера в цилиндр, повышает технологичность за счет изготовления цилиндров в одном блоке, без особых затрат позволяет создать четырехцилиндровую модификацию, или редуктор с валами, вращающимися в противоположных направлениях.

Таким образом, снижение удельного расхода топлива достигается за счет применения для продувки цилиндров двигателя вместо топливовоздушной смеси только одного воздуха, в который топливо для осуществления рабочего процесса поступает, в основном, после завершения процесса продувки в виде переобогащенной топливной смеси из компрессора, осуществляемого наддув, через впускные окна, когда выпускные окна закрыты верхней кромкой юбки поршня.

Поскольку трудоемкость изготовления двигателя с предлагаемой комбинированной схемой газообмена по сравнению с трудоемкостью изготовления аналогичного двигателя, выполненного с кривошипно-камерной продувкой цилиндров топливо-воздушной смесью, практически, не изменится, экономический эффект при ее использовании будет определяться только снижением потерь топлива при газообмене, которые при продувке топливной смесью составляют около 35% от общего его расхода (Г.Р. Рикардо. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. Гос. научно-техн. изд-во машиностроительной литературы. M. 1960. (с.180); А.Е. Юшин. Система непосредственного впрыскивания топлива в двухтактных ДВС. В сб. «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей «ДВС», ВлГУ, г. Владимир, 1997., (с.215).).

Экономический эффект от применения предлагаемой конструкции двигателя с комбинированной системой газообмена, обеспечивающей снижение удельного расхода топлива по сравнению с прежней кривошипно-камерной схемой, использующей для продувки топливную смесь, при стоимости бензина 35 руб/л. будет составлять около 7 руб/кВт·ч, т.е. двигатель мощностью 20 кВт за ресурс 500 моточасов сэкономит около 70000 рублей или 2000 литров бензина. При расчетах было принято, что потери топлива при продувке уменьшатся на 80%, т.к. возможность попадания топливной смеси в выпускную систему сокращена только по продолжительности одновременного открытия впускных и выпускных окон со 125° поворота коленчатого вала до 15°. Размещение впускных и выпускных окон на разных уровнях дает основание полагать, что потери топлива сократятся еще больше или прекратятся вовсе.

Учитывая наличие высоких энерго-экономических показателей, обеспечиваемых применением двухтактного цикла, наддува, снижением на 2530% расхода топлива, при сохранении моторесурса в прежних пределах 5001000 моточасов за счет уменьшения нагрузок на шатунные подшипники коленчатых валов при их удвоении, предлагаемая конструкция двигателя в 2-х или 4-х цилиндровом исполнении мощностью в пределах 2060 кВт может найти применение в силовых установках летательных аппаратов, глиссирующих маломерных судов с движетелями в виде воздушных или гребных винтов, портативных мотоизделий, применяемых населением, в ведомствах МЧС, армии и флота, а также в других установках, где требуются малые удельная масса и габариты.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом и комбинированной схемой газообмена, передающий усилие от давления газов на поршень одновременно двум коленчатым валам, симметрично расположенным относительно оси цилиндра, содержащий встроенные соосно с осью цилиндра компрессоры, поршни которых при помощи штока соединены с поршнями двигателя, цилиндры оборудованы впускными окнами, расположенными над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, с одним общим картером, отличающийся тем, что он выполнен в двухцилиндровом оппозитном исполнении, с противоположно движущимися поршнями, с тремя коленчатыми валами, из которых один имеет два кривошипа, содержит отдельный, изолированный от кривошипной камеры впускной тракт топливной смеси, включающий карбюратор, обратные пластинчатые клапаны, компрессор со всасывающей и нагнетательной полостями и ресивер, связанный с впускными окнами цилиндра, через которые переобогащенная топливная смесь поступает в цилиндры двигателя, при этом поршни компрессора кинематически связаны с поршнями противолежащих цилиндров двигателя.

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.
Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
Первый такт - такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт - такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт - рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт - такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.

Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.

Устройство КШМ
Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок и головка цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.