Пристрій та принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння (18 фото + 3 відео)

Для того, щоб зрозуміти принцип роботи двигуна, потрібно мати деякі уявлення про сам двигун і його будову. Давайте розберемося з усім докладніше:

У пристрої двигуна поршень є ключовим елементом робочого процесу. Поршень виконаний у вигляді металевої склянки порожнистої, розташованого сферичним дном (головка поршня) вгору. Напрямна частина поршня, інакше звана спідницею, має неглибокі канавки, призначені для фіксації поршневих кілець. Призначення поршневих кілець – забезпечувати, по-перше, герметичність надпоршневого простору, де при роботі двигуна відбувається миттєве згоряння бензиново-повітряної суміші і газ, що розширюється, не міг, обігнувши спідницю, прямувати під поршень. По-друге, кільця запобігають попаданню олії, що знаходиться під поршнем, у надпоршневий простір. Таким чином, кільця у поршні виконують функцію ущільнювачів. Нижнє (нижні) поршневе кільце називається маслознімним, а верхнє (верхні) - компресійним, тобто забезпечує високий ступінь стиснення суміші.

Коли з карбюратора або інжектора всередину циліндра потрапляє паливно-повітряна або паливна суміш, вона стискається поршнем при русі вгору і підпалюється електричним розрядом від свічки системи запалювання (в дизелі відбувається самозаймання суміші за рахунок різкого стиснення). Гази згоряння, що утворюються, мають значно більший об'єм, ніж вихідна паливна суміш, і, розширюючись, різко штовхають поршень вниз. Таким чином теплова енергія палива перетворюється на зворотно-поступальний (вгору-вниз) рух поршня в циліндрі.

Далі необхідно перетворити цей рух на обертання валу. Відбувається це так: усередині спідниці поршня розташований палець, на якому закріплюється верхня частина шатуна, останній шарнірно зафіксований на кривошипі колінчастого валу. Колінвал вільно обертається на опорних підшипниках, що розташовані в картері двигуна внутрішнього згоряння. При русі поршня шатун починає обертати коленвал, з якого момент, що крутить, передається на трансмісію і - далі через систему шестерень - на провідні колеса.

Технічні характеристики двигуна. Характеристики двигуна При русі вгору-вниз у поршня є два положення, які називаються мертвими точками. Верхня мертва точка (ВМТ) - це момент максимального підйому головки і всього поршня вгору, після чого він починає рух вниз; нижня мертва точка (НМТ) – найнижче положення поршня, після якого вектор напрямку змінюється і поршень спрямовується вгору. Відстань між ВМТ і НМТ названо ходом поршня, об'єм верхньої частини циліндра при положенні поршня у ВМТ утворює камеру згоряння, а максимальний об'єм циліндра при положенні поршня НМТ називається повним об'ємом циліндра. Різниця між повним об'ємом та об'ємом камери згоряння отримала найменування робочого об'єму циліндра.

Сумарний робочий об'єм всіх циліндрів двигуна внутрішнього згоряння вказується в технічних характеристиках двигуна, що виражається в літрах, тому в побуті називається літражем двигуна. Другий найважливішою характеристикою будь-якого ДВС є ступінь стиснення (СС), що визначається як окреме від розподілу повного об'єму на об'єм камери згоряння. У карбюраторних двигунів СС варіює в інтервалі від 6 до 14, у дизелів – від 16 до 30. Саме цей показник поряд з об'ємом двигуна визначає його потужність, економічність та повноту згоряння паливо-повітряної суміші, що впливає на токсичність викидів при роботі ДВЗ .

Потужність двигуна має бінарне позначення – у кінських силах (к.с.) та кіловатах (кВт). Для переведення одиниць одна в іншу застосовується коефіцієнт 0,735, тобто 1 л. = 0,735 квт.

Робочий цикл чотиритактного ДВЗ визначається двома оборотами колінчастого валу - по півоберта на такт, що відповідає одному ходу поршня. Якщо двигун одноциліндровий, то в його роботі спостерігається нерівномірність: різке прискорення ходу поршня при вибуховому згорянні суміші та уповільнення його при наближенні до НМТ і далі. Для того, щоб цю нерівномірність купірувати, на валу за межами корпусу двигуна встановлюється потужний диск-маховик з великою інерційністю, завдяки чому момент обертання валу в часі стає більш стабільним.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Сучасний автомобіль, найчастіше, рухається двигуном внутрішнього згоряння. Таких двигунів існує безліч. Розрізняються вони обсягом, кількістю циліндрів, потужністю, швидкістю обертання, використовуваним паливом (дизельні, бензинові та газові ДВЗ). Але, важливо, пристрій двигуна внутрішнього згоряння, схоже.

Як працює двигун і чому називається чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння? Про внутрішнє згоряння відомо. Усередині двигуна згоряє паливо. А чому 4 такти двигуна, що це таке? Справді, бувають двотактні двигуни. Але на автомобілях вони використовуються дуже рідко.

Чотирьохтактний двигун називається через те, що його роботу можна розділити на чотири, рівні за часом, частини. Поршень чотири рази пройде циліндром – два рази вгору і двічі вниз. Такт починається при знаходженні поршня у крайній нижній або верхній точці. У автомобілістів-механіків це називається верхня мертва точка (ВМТ) та нижня мертва точка (НМТ).

Перший такт - такт впуску

Перший такт, він же впускний, починається з ВМТ (верхньої мертвої точки). Рухаючись вниз, поршень, всмоктує в циліндр паливоповітряну суміш. Робота такту відбувається при відкритому клапані впуску. До речі, існує багато двигунів із кількома впускними клапанами. Їхня кількість, розмір, час перебування у відкритому стані може суттєво вплинути на потужність двигуна. Є двигуни, в яких залежно від натискання на педаль газу відбувається примусове збільшення часу знаходження впускних клапанів у відкритому стані. Це зроблено для збільшення кількості палива, що всмоктується, яке, після займання, збільшує потужність двигуна. Автомобіль у цьому випадку може набагато швидше прискоритися.

Другий такт – такт стиснення

Наступний такт роботи двигуна – такт стискування. Після того як поршень досяг нижньої точки, він починає підніматися вгору, тим самим стискаючи суміш, яка потрапила в циліндр в такт впуску. Паливна суміш стискається до обсягів згоряння камери. Що це за така камера? Вільний простір між верхньою частиною поршня та верхньою частиною циліндра при знаходженні поршня у верхній мертвій точці називається камерою згоряння. Клапани в цей такт роботи двигуна закриті повністю. Чим щільніше вони закриті, тим стиснення відбувається якісніше. Велике значення має, у разі, стан поршня, циліндра, поршневих кілець. Якщо є великі зазори, то хорошого стиснення не вийде, а, відповідно, потужність такого двигуна буде набагато нижчою. Компресію можна перевірити спеціальним приладом. За величиною компресії можна зробити висновок про ступінь зношування двигуна.

Третій такт – робочий хід

Третій такт – робітник, що починається з ВМТ. Робітником він називається невипадково. Адже саме в цьому такті відбувається дія, що змушує автомобіль рухатися. У цьому вся такті в роботу вступає система запалювання. Чому така система так називається? Та тому, що вона відповідає за підпалювання паливної суміші, стиснутої в циліндрі, камері згоряння. Працює це дуже просто – свічка системи дає іскру. Заради справедливості, варто зауважити, що іскра видається на свічці запалювання за кілька градусів до досягнення поршнем верхньої точки. Ці градуси, в сучасному двигуні, автоматично регулюються «мозками» автомобіля.

Після того, як паливо загориться, відбувається вибух - воно різко збільшується в об'ємі, змушуючи поршень рухатися вниз. Клапани в такті роботи двигуна, як і в попередньому, знаходяться в закритому стані.

Четвертий такт – такт випуску

Четвертий такт роботи двигуна, останній – випускний. Досягши нижньої точки, після робочого такту, у двигуні починає відкриватися випускний клапан. Таких клапанів, як і впускних, може бути кілька. Рухаючись вгору, поршень через цей клапан видаляє гази, що відпрацювали, з циліндра – вентилює його. Від чіткої роботи клапанів залежить ступінь стиснення в циліндрах, повне видалення відпрацьованих газів і необхідну кількість паливно-повітряної суміші, що всмоктується.

Після четвертого такту настає черга першого. Процес повторюється циклічно. А за рахунок чого відбувається обертання - робота двигуна внутрішнього згоряння всі 4 такти, що змушує поршень підніматися і опускатися в тактах стиснення, випуску та впуску? Справа в тому, що не вся енергія, яка отримується в робочому такті, прямує на рух автомобіля. Частина енергії йде на розкручування маховика. А він, під дією інерції, крутить колінчастий вал двигуна, переміщуючи поршень у період неробочих тактів.

Газорозподільчий механізм

Газорозподільний механізм (ГРМ) призначений для упорскування палива та випуску відпрацьованих газів у двигунах внутрішнього згоряння. Сам механізм газорозподілу ділиться на нижньоклапанний, коли розподільний вал знаходиться в блоці циліндрів і верхньоклапанний. Верхнеклапанний механізм має на увазі знаходження розподільного валу в головці блоку циліндрів (ГБЦ). Існують і альтернативні механізми газорозподілу, такі як гільзова система ГРМ, десмодромна система та механізм із змінними фазами.

Для двотактних двигунів механізм газорозподілу здійснюється за допомогою впускних та випускних вікон у циліндрі. Для чотиритактних двигунів найпоширеніша система верхньоклапанна, про неї і йтиметься нижче.

Пристрій ГРМ

У верхній частині блоку циліндрів знаходиться ГБЦ (головка блоку циліндрів) з розташованими на ній розподільчим валом, клапанами, штовхачами або коромислами. Шків приводу розподільного валу винесений за межі головки блоку циліндрів. Для виключення протікання моторного масла з-під клапанної кришки, на шийку розподільного валу встановлюється сальник. Сама клапанна кришка встановлюється на масло-бензостійку прокладку. Ремінь ГРМ або ланцюг одягається на шків розподільного валу і приводиться в дію шестерней колінчастого валу. Для натягу ременя використовуються натяжні ролики, для ланцюга натяжні «черевики». Зазвичай ременем ГРМ приводиться в дію помпа водяної системи охолодження, проміжний вал системи запалювання і привід насоса високого тиску ТНВД (для дизельних варіантів).

З протилежного боку розподільного валу за допомогою прямої передачі або за допомогою ременя, можуть приводитися в дію вакуумний підсилювач, гідропідсилювач керма або автомобільний генератор.

Розподільний вал являє собою вісь з проточеними на ній кулачками. Кулачки розташовані по валу так, що в процесі обертання, стикаючись з штовхачами клапанів, натискають на них точно відповідно до робочих такт двигуна.

Існують двигуни і з двома розподільними валами (DOHC) і великою кількістю клапанів. Як і в першому випадку, шківи приводяться в дію одним ременем ГРМ і ланцюгом. Кожен розподільний вал закриває один тип клапанів впускних або випускних.

Клапан натискається коромислом (ранні версії двигунів) чи штовхачем. Розрізняють два види штовхачів. Перший – штовхачі, де зазор регулюється калібрувальними шайбами, другий – гідроштовхачі. Гідроштовхач пом'якшує удар по клапану завдяки маслу, що знаходиться в ньому. Регулювання зазору між кулачком та верхньою частиною штовхача не потрібне.

Принцип роботи ГРМ

Весь процес газорозподілу зводиться до синхронного обертання колінчастого валу та розподільчого валу. А також відкривання впускних і випускних клапанів у певному місці положення поршнів.

Для точного розташування розподільного валу щодо колінвалу використовуються настановні мітки. Перед одяганням ременя газорозподільного механізму поєднуються та фіксуються мітки. Потім одягається ремінь, «звільняються» шківи, після чого ремінь натягується натяжними роликами.

При відкритті клапана коромислом відбувається таке: розподільний вал кулачком «наїжджає» на коромисло, яке натискає на клапан, після проходження кулачка, клапан під дією пружини закривається. Клапани у разі розташовуються v-образно.

Якщо в двигуні застосовані штовхачі, то розподільний вал знаходиться безпосередньо над штовхачами, при обертанні, натискаючи своїми кулачками на них. Перевага такого ГРМ – малі шуми, невелика ціна, ремонтопридатність.

У ланцюговому двигуні весь процес газорозподілу той самий, тільки при складанні механізму, ланцюг одягається на вал разом із шківом.

Кривошипно-шатунний механізм

Кривошипно-шатунний механізм (далі скорочено – КШМ) – механізм двигуна. Основним призначенням КШМ є перетворення зворотно-поступальних рухів поршня циліндричної форми в обертальні рухи колінчастого валу в двигуні внутрішнього згоряння і навпаки.

Пристрій КШМ

Поршень

Поршень має вигляд циліндра, виготовленого із сплавів алюмінію. Основна функція цієї деталі полягає у перетворенні на механічну роботу зміни тиску газу, або навпаки, - нагнітання тиску за рахунок зворотно-поступального руху.

Поршень є складені воєдино днище, головку і спідницю, які виконують зовсім різні функції. Днище поршня плоскої, увігнутої або опуклої форми містить камеру згоряння. Головка має нарізані канавки, де розміщуються поршневі кільця (компресійні та маслознімні). Компресійні кільця виключають прорив газів у картер двигуна, а поршневі маслознімні кільця сприяють видаленню надлишків олії на внутрішніх стінках циліндра. У спідниці розташовані дві боби, що забезпечують розміщення поршень з шатуном поршневого пальця.

Шатун

Виготовлений штампуванням або кований сталевий (рідше – титановий) шатун має шарнірні з'єднання. Основна роль шатуна полягає у передачі поршневого зусилля до колінчастого валу. Конструкція шатуна передбачає наявність верхньої та нижньої головки, а також стрижня з двотавровим перетином. У верхній головці і бобишках знаходиться поршневий палець, що обертається («плаває»), а нижня головка - розбірна, дозволяючи, тим самим, забезпечити тісне з'єднання з шийкою валу. Сучасна технологія контрольованого розколювання нижньої головки дозволяє забезпечити високу точність з'єднання її частин.

Колінчастий вал

Виготовлений зі сталі або чавуну високої міцності колінчастий вал складається з шатунних і корінних шийок, що з'єднані щоками і обертаються в підшипниках ковзання. Щоки створюють противагу шатунним шийкам. Основна функція колінчастого валу полягає у сприйнятті зусилля від шатуна для перетворення його в крутний момент. Усередині щік і шийок валу передбачені отвори для подачі під тиском олії системою мастила двигуна.

Маховик

Маховик встановлюється на кінці колінчастого валу. На сьогоднішній день знаходять широке застосування двомасові маховики, що мають вигляд двох, пружно з'єднаних між собою дисків. Зубчастий вінець маховика бере безпосередню участь у запуску двигуна через стартер.

Блок та головка циліндрів

Блок циліндрів і головка блоку циліндрів відливаються з чавуну (рідше сплавів алюмінію). У блоці циліндрів передбачені сорочки охолодження, ліжка для підшипників колінчастого та розподільчого валів, а також точки кріплення приладів та вузлів. Сам циліндр виконує функцію направляючої для поршнів. Головка блоку циліндра має в своєму розпорядженні камеру згоряння, впускні-випускні канали, спеціальні різьбові отвори для свічок системи запалювання, втулки і запресовані сідла. Герметичність з'єднання блоку циліндрів із головкою забезпечені прокладкою. Крім того, головка циліндра закрита кришкою штампованої, а між ними, як правило, встановлюється прокладка з маслостійкої гуми.

В цілому поршень, гільза циліндрів і шатун формують циліндр або циліндропоршневу групу кривошипно-шатунного механізму. Сучасні двигуни можуть мати до 16 і більше циліндрів.