Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Toyota 1-AZ FE

В начале 2000-х годов компания Тойота выпустила на рынок линейку моторов AZ. Они стали отличной заменой двигателям серии S, которые массово изготавливались до этого времени и устанавливались под капоты автомобилей известных зарубежных марок.

Лучшим представителем линейки агрегатов AZ стала модель 1AZ-FE. Специалисты быстро оценили ее возможности и назвали хорошей альтернативой двигателя для среднего класса машин 3S-FE.

Невзирая на то, что мотор 1-AZ FE признали надежным и долговечным, его установили на небольшое количество авто от компании Тойота:

• Camry (Aurion) 2006-2009 гг;
• РАВ4 и РАВ4 Евро с 2001-2006 гг;
• Avensis Verso 2001-2009 гг.

Такие машины распространены в Азии и некоторых европейских странах. В России они практически не встречаются. Сегодня новые автомобили с 1-AZ FE от Toyota не выпускаются, но двигатели данной модели все равно производятся и продаются в качестве запчастей.

Принцип работы

Принцип работы основывается на эффекте расширения газов под воздействием тепла, возникающего во время сгорания смеси образованной воздушно-топливной системой. Благодаря этому осуществляется перемещение поршней в цилиндрах.

Работы у всех поршневых двигателей выполняется циклически. То, есть каждый цикл происходит за пару оборотов вала и соответственно включает четыре такта. Так называемые четырехтактные двигатели. Перечень тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Когда выполняется работа такта впуск и рабочий ход, движение поршня осуществляется по направлению в низ. Благодаря этому цикличность не совпадает в каждом из цилиндров. С учетом этого достигается плавность и равномерность работы двигателя. Существуют и двухтактные моторы, в них один цикл сгорания включает только сжатие и рабочий ход.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Примечание.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Плюсы и минусы

Двигатели внутреннего сгорания имеют немало достоинств:

• удобство и простота использования;
• доступность топлива;
• быстрая заправка;
• долговечность;
• сохранение работоспособности даже после нескольких ТО.

К тому же для многих автовладельцев звук мотора является лучшей музыкой. Зная это, производители настраивают их особым образом.

Но и минусы у агрегатов существуют:

• более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электрическими моделями;
• сложность системы.

Современные модели уже невозможно починить и обслуживать самостоятельно в гараже. Но чем сложнее конструкция, тем больше слабых мест в ней остается. А значит ТО придется проходить все чаще и чаще.

Требует упоминания и экологический аспект. Многие европейские города задыхаются от бензинового смога и не видят солнечного света. Поэтому требования к экологической безопасности регулярно ужесточаются.

Двигатели внутреннего сгорания с течением времени не теряют своих позиций. Несмотря на то, что инженеры и изобретатели бьются над созданием принципиально новых моторов, этот вопрос до сих пор не решен. А значит в ближайшие годы человечество будет пользоваться все теми же привычными, надежными и удобными агрегатами.

Об эволюции моторов и не только

Зная, что же такое ДВС в ТС, можно немного углубиться в изучение вопроса. И тут окажется, что современный мотор имеет несколько разновидностей со своими нюансами и особенностями:

• роторно-поршневые;
• газотурбинные;
• поршневые.

О каждом стоит рассказать немного подробнее.

Роторно-поршневые

Что это такое в машине? И по какому принципу работает? В таком варианте ротор помещается в специальный отсек и выполняет при движении сразу несколько задач, выступая в роли:

• коленчатого вала;
• ГРМ;
• поршня.

Работа двигателя внутреннего сгорания этого типа базируется на расширении газов. Именно они и приводят в движение ротор.

Газотурбинные

Принцип работы ДВС тоже довольно прост:

• на ротор насажены специальные лопатки клиновидной формы;
• тепловая энергия заставляет его двигаться;
• за счет этого в движение приходит вал турбины;
• энергия преобразуется в механическую работу.

Используются подобные модели довольно редко.

Поршневые

Это самый распространенный и оправдавший надежды конструкторов вариант. Если вкратце описывать, как работает двигатель внутреннего сгорания, то нужно обязательно отметить следующие нюансы:

• камера сгорания помещается внутрь цилиндра;
• кривошипно-шатунный механизм сдвигается за счет тепловой энергии;
• в свою очередь он распределяет механические усилия на коленчатый вал.

Виды двигателей поршневого типа разнообразны:

• карбюраторные;
• инжекторные;
• дизельные.

Принцип работы ДВС карбюраторного типа основывается на формировании горючего состава в карбюраторе. Уже оттуда он поступает в цилиндры, где и происходят стандартные процессы.

Инжекторные двигатели автомобиля считаются довольно сложными. Важная часть процессов происходит под контролем электроники:

• залив горючего в коллектор;
• прохождение через форсунки;
• возгорание.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания наиболее просты. Возгорание смеси осуществляется без дополнительного поджига. За него «работает» давление. Ввод топлива происходит напрямую через форсунки в строго дозированном количестве.

Принцип работы ДВС, описанных выше, схож между собой. Но более востребованы — поршневые. Среди всех их плюсов специалисты особенно выделяют низкие затраты при неизменно высокой производительности. Поэтому они были взяты на «вооружение» автомобильной промышленностью.

Далее речь пойдет об устройстве двигателя внутреннего сгорания поршневого типа. Как самый распространенный, он вызывает набольший интерес у автолюбителей и других категорий владельцев различных технических устройств.

Устройство двигателя автомобиля в теории

Устройство ДВС всегда уместно рассматривать на примере работы одного цилиндра. Хотя чаще всего легковые автомобили имеют 4, 6, 8 цилиндров. В любом случае, главная деталь мотора – это цилиндр. В нем располагается поршень, который может двигаться вверх-вниз. При этом существуют 2 границы его передвижения – верхняя и нижняя. Профессионалы их называют ВМТ и НМТ (верхняя и нижняя мертвые точки).

Сам поршень соединен с шатуном, а шатун – с коленчатым валом. При движении поршня вверх-вниз шатун передает нагрузку на коленчатый вал, и тот вращается. Нагрузки от вала передаются на колеса, в результате чего автомобиль начинает движение.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой этого сложного механизма. Делается это с помощью бензина, дизельного топлива или газа. Капля топлива, воспламеняющаяся в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение. Затем поршень по инерции возвращается в верхнюю границу, где снова происходит взрыв бензина и такой цикл повторяется постоянно, пока водитель не заглушит мотор.

Так выглядит устройство двигателя автомобиля. Однако это лишь теория. Давайте рассмотрим более детально циклы работы мотора.

Как работает двухтактный мотор

Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.

Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.

Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.

Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.

Преимущества и недостатки

Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.

Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.

Схема

Ниже на рисунке показана типичная схема устройства двигателя автомобиля (одного цилиндра).

На этой схеме четко показаны основные элементы:

A – Распределительный вал.

B – Крышка клапанов.

C – Выпускной клапан, через который отводятся газы из камеры сгорания.

D – Выхлопное отверстие.

E – Головка цилиндра.

F – Полость для охлаждающей жидкости. Чаще всего там находится антифриз, который охлаждает нагревающийся корпус мотора.

G – Блок мотора.

H – Маслосборник.

I – Поддон, куда стекает все масло.

J – Свеча зажигания, образующая искру для поджога топливной смеси.

K – Впускной клапан, через который в камеру сгорания попадает топливная смесь.

L – Впускное отверстие.

M – Поршень, который движется вверх-вниз.

N – Шатун, соединенный с поршнем. Это основной элемент, который передает усилие на коленчатый вал и трансформирует линейное движение (вверх-вниз) во вращательное.

O – Подшипник шатуна.

P – Коленчатый вал. Он вращается за счет движения поршня.

Также стоит выделить такой элемент, как поршневые кольца (их еще называют маслосъемными кольцами)

Их нет на рисунке, однако они являются важной составляющей системы двигателя автомобиля. Данные кольца огибают поршень и создают максимальное уплотнение между стенками цилиндра и поршня

Они предотвращают попадание топлива в масляный поддон и масла в камеру сгорания. Большинство старых двигателей автомобилей ВАЗ и даже моторы европейских производителей имеют изношенные кольца, которые не создают эффективное уплотнение между поршнем и цилиндром, из-за чего масло может попадать в камеру сгорания. В такой ситуации будет наблюдаться повышенный расход бензина и «жор» масла.

Компоновка и технические характеристики ДВС

Еще стоит добавить, что существуют многочисленные разновидности двигателей внутреннего сгорания, которые отличаются друг от друга по компоновке и расположению цилиндров.

Дело в том, что пространство в моторном отсеке ограничено, при этом на разных автомобилях возникает необходимость уместить в таком пространстве агрегат с тем или иным количеством цилиндров.

Как правило, по компоновке на большинстве машин чаще всего можно встретить:

• рядный двигатель;
• V-образный мотор;
• оппозитный двигатель;

Рядный двигатель означает, что все его цилиндры  расположены в одной плоскости. Рядные «четверки» (4-х цилиндровый мотор) являются самым распространенным типом ДВС. Рядные «шестерки»  также весьма популярны, они меньше вибрируют, имеют  приемлемую мощность, однако такой двигатель получается достаточно длинным.

Еще одним вариантом является V-образный двигатель. Цилиндры в таком моторе располагаются в двух плоскостях,  напоминая литеру «V». Подобный ДВС имеет 6 или 8 цилиндров (V6 или V8), при этом длина двигателя сравнительно с рядным мотором меньше, хотя ширина закономерно увеличивается. Еще добавим, что угол между плоскостями принято называть углом развала.

Также отдельного внимания заслуживает оппозитный двигатель. Примечательно, что такая компоновка предполагает угол развала 180 градусов. Фактически, цилиндры и поршни находятся друг напротив друга, а сам агрегат называется «boxer». Такое расположение позволило уменьшить высоту оппозитника, снизить уровень вибраций, улучшить развесовку и т.д.

Добавим, что существуют так называемые двигатели типа VR. Их особенностью является малый угол развала, позволяя уменьшить размеры ДВС в длину и ширину. Также стоит упомянуть мощные W-двигатели. Указанные силовые агрегаты многоцилиндровые (например, W12) Что касается компоновки, конструкция может включать в себя сразу три ряда цилиндров, которые расположены под большим углом развала.

Еще одним вариантом является расположение тех же трех рядов цилиндров, при этом угол развала максимально уменьшен (как и в случае с VR-компоновкой). Как правило, именно  последний вариант прижился на мощных легковых авто класса «премиум», спорткарах и солидных внедорожниках. Дело в том, что даже при таком количестве цилиндров двигатель все равно отличается  компактностью.

Как работает двигатель?

Начнем с начального положения поршня – он находится вверху. В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. При этом всего лишь небольшая капля бензина поступает в емкость цилиндра. Это первый такт работы.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки, при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, в результате чего топливная смесь сжимается, так как ей в закрытой камере некуда деваться. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе деталь достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени, пока водитель не заглушит двигатель.

В результате взрыва бензина поршень движется вниз и толкает коленчатый вал. Тот раскручивается и передает нагрузки на колеса автомобиля. Именно так и выглядит устройство двигателя автомобиля.

Характеристики ДВС

Потребительские качества двигателя (принимая за образец классический поршневой или комбинированный двигатель, отдающий крутящий момент) можно охарактеризовать следующими показателями:

1. Массовые показатели, в кг на литр рабочего объёма (обычно от 30 до 80) — удельная масса, и в кг на 1 л.с. (1 кВт) — удельная мощность. Они важнее для транспортных, особенно для авиационных, двигателей.
2. Удельный расход топлива, г/л.с.*час (г/кВт*ч), или для конкретных видов топлив с разной плотностью и агрегатным состоянием, л/кВт*ч, м3/кВт*ч.
3. Ресурс в часах (моточасах). Некоторые применения ДВС не требуют большого ресурса (пусковые ДВС, двигатели торпед), и потому в их конструкции могут отсутствовать, например, фильтры для масла и воздуха.
4. Экологические характеристики (как самостоятельные, так и в составе транспортного средства), определяющие возможность его эксплуатации.
5. Транспортные характеристики, определяющие кривую крутящего момента в зависимости от числа оборотов. При работе двигателя по винтовой характеристике, обычно без трансмиссии, специальная корректировка транспортной характеристики не требуется, но в автомобилях и тракторах хорошая транспортная характеристика (высокий запас крутящего момента, тихоходная настройка) позволяют уменьшить число передач в трансмиссии и облегчить управление.
6. Шумность двигателя, зачастую определяемая его применением в люксовых моделях автомобилей или подводных лодках. Для снижения шумности часто снижают жёсткость подвески двигателя, усложняют схемы выпуска газов (например, выпуск газов через винт в подвесных моторах), а также капотируют.

Скоростные характеристики

ДВС, отдающие мощность на выходной вал, обычно характеризуются кривыми крутящего момента и мощности в зависимости от частоты вращения вала (от минимально устойчивых оборотов холостого хода до максимально возможных, при которых ДВС может работать без поломок). Дополнительно к двум вышеупомянутым кривым может быть представлена кривая удельного расхода топлива. По результатам анализа таких кривых определяется коэффициент запаса крутящего момента (он же коэффициент приспособляемости), и другие показатели, влияющие на конструкцию трансмиссии.

Внешняя скоростная характеристика 2,7 литрового двигателя Porsche Boxster

В настоящее время для потребителей представляют внешние скоростные характеристики с нетто-мощностью ISO-1585, согласно региональному стандарту измерения мощности ДВС (зависит от температуры, давления, влажности воздуха, применяемого топлива и наличия отбора мощности на установленные агрегаты). Двигатели американских производителей обычно испытывают по другому стандарту (SAE). Внешней характеристику называют потому, что линии мощности и крутящего момента проходят выше частичных скоростных характеристик, и нельзя получить мощность выше манипуляциями с органами подачи топлива.

Однако, в более ранних публикациях имеются скоростные характеристики, базирующиеся на измерении мощности брутто (кривая крутящего момента, соответственно, также поднимается выше).

Кроме полных, в расчётах трансмиссий транспортных средств активно используются частичные скоростные характеристики — эффективные показатели двигателя при промежуточных положениях регулятора подачи топлива (или дроссельной заслонки для бензиновых). Для транспортных средств с винтами на таких характеристиках приводят винтовые при различных положениях винта с регулируемым шагом.

Существуют и другие характеристики, не предназначенные для потребителей, например с кривыми индикаторной мощности, индикаторного расхода топлива и индикаторного крутящего момента (используемые при расчёте ДВС), а также абсолютная скоростная характеристика, показывающая максимально возможную отдачу данного двигателя, которую можно получить при подаче большего количества топлива, чем на номинальном режиме. Для дизелей имеется также линия дымления, работа за которой не допускается.

Работа на абсолютной характеристике практически (кроме пуска ДВС) не производится, поскольку при этом снижается экономичность и экологичность двигателя, сокращается ресурс (особенно для дизельных двигателей, у которых работа за пределом дымления сокращает ресурс до считанных часов).

Материал изготовления головки блоков цилиндров

На легковых автомобилях головка блока двигателя, как правило, изготавливается из алюминиевого сплава литьем в кокиль или под давлением.

На тяжелых (дизельных двигателях) двигателях применяют головку блока, изготовленную из чугуна методом литья. В таких двигателях седла клапанов охлаждаются и затем запрессовываются. В головке блоков имеются каналы для газов, охлаждающей жидкости, масла, и отверстия под болты для крепления головки к блоку цилиндров.

Для крепления головки к блоку цилиндров используются силовые болты и шпильки с гайками. Прокладка головки блока служит для уплотнения. Затяжка болтов головки блока проводится в определенной последовательности в рекомендуемом порядке заводом изготовителем.