На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания применяется практически повсеместно, его можно встретить на всех современных машинах. Для многих существование ДВС привычно, но мало кто догадывается о том, как устроен подобный агрегат, какова физика и механика протекающих в нем процессов. Сегодня мы расскажем, как устроен двигатель в автомобиле, из чего он состоит, а также изложим схему его работы, предназначенную для начинающих мастеров, чайников и всех тех, кто впервые столкнулся с необходимостью изучить подобные устройства подробно.
Историческая справка
На самом деле, двигатель внутреннего сгорания — это не инновационная находка в техническом мире, и его строение известно давно. Тем не менее, в первых ДВС ресурс был крайне невелик. История создания подобных агрегатов берет начало более двух столетий назад, когда эра паровых машин достигла своего расцвета, но пытливые умы ученых пытались изобрести более совершенные, экономичные и надежные конструкции, работающие на альтернативном топливе.
История создания первого прообраза двигателя датируется французом Филиппом Лебоном, который незадолго до этого момента изобрел так называемый светильный газ и пытался найти ему практическое применение.
Таким образом, было установлено, что при горении газ расширяется в несколько раз, выделяя при этом немалое количество энергии и увеличивая свою температуру, и у такого ДВС ресурс стал несколько выше. Кроме того, такой газ горел крайне медленно, что позволило сделать вывод об экономичности его расхода.
Из чего состоял подобный двигатель авто, и в чем особенности его строения? В его основе лежали два компрессора, имеющих высокую рабочую температуру. Первый из них подавал в камеру сгорания воздух, а второй — газ. В результате смешения получалась некая смесь, которая была способна гореть и двигать поршень вверх или вниз.
История создания первого прообраза составляющих шатунного механизма, превращающего поступательное движение во вращательное, содержит в себе имя Жана Этьена Ленуара, который произвел собственное исследование и выяснил, из чего должен состоять двигатель, имеющий достаточную надежность, долговечность и совершенство конструкции.
Также история создания идеи современного типа розжига смеси принадлежит имени Ленуара. Так, он впервые предположил, что воспламенять смесь при помощи открытого огня неразумно. Также Ленуар выяснил, что поршень быстро разогревается, расширяется и застревает в цилиндре, из чего можно было сделать вывод, что детали нуждаются в постоянном охлаждении. Так была реализована система жидкостного охлаждения, хоть и далекая от техники, выпускаемой на сегодняшний день и имеющая чрезмерно большой вес и низкую эффективность по уменьшению температуры.
Кроме того, для предотвращения усиленного трения и уменьшения рабочей температуры, учеными была изобретена система смазки, которая позволяла поршню нагреваться меньше, и, таким образом, работать долгое время, не выводя из строя составляющие ДВС.
Дальнейшая история создания такого агрегата, как ДВС, связана с фамилией Отто. Он отметил, что важнее всего при проектировании ДВС — ресурс и его долговечность, и предпринял попытку его доработки. На первый взгляд, такой мотор казался менее совершенным, чем модель Ленуара, однако на деле оказалось, что новая модель обладает меньшим весом и лучшими характеристиками.
Стоит отметить, что здесь впервые было применено некое подобие шатунного механизма. Так, поршень был жестко привязан к рейке, которая соединяла его с валом. Вал вращался и приводил в действие набор шестерен.
После этого предпринимались неоднократные попытки перейти к более совершенному источнику топлива, который имел бы меньший удельный вес, и уменьшить рабочую температуру конструкции. В 1872 году некий Брайтон решил перейти на двигатели внутреннего сгорания с керосином, чтобы проверить свою теорию.
Эксперимент не оказался успешным, из чего был сделан вывод о том, что топливо, которое заливается в двигатели внутреннего сгорания, необходимо искать дальше. Так оказалось, что бензин, обладающий меньшим удельным весом, что является несомненным его преимуществом, и есть самый подходящий источник энергии.
Главная характеристика ДВС — ресурс всех его элементов. В связи с этим, общую доработку существовавшей конструкции произвели Даймлер и Майбах в 1880 году, из чего можно сделать вывод, что такая модель является наиболее приближенной к той, что применятся на современных двигателях внутреннего сгорания. Так, появился карбюратор жиклерного типа, который обладает меньшим весом, чем генератор, и, благодаря небольшим размерам, имеет более удачное расположение.
Карбюратор
Карбюратор, по своей сути, — это аналог газогенератора, который обладает более совершенной общей конструкцией, меньшим весом и рабочей температурой всех частей.
Расшифровка его маркировки поможет выяснить особенности его конструкции. Задача карбюратора — смешение топлива и воздуха таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное сгорание, в зависимости от режима работы, из чего можно сделать вывод, что система имеет достаточно сложное устройство.
Из каких деталей и частей состоит современный карбюратор мотора, и о чем может сказать общая расшифровка его названия? Главный элемент — это шланг или патрубок, который связывает с основным бензонасоса для бесперебойной подачи бензина. Топливный насос приводится в действие самим двигателем, который питается за счет карбюратора.
Поступая, топливо приходит в основной жиклер, или распылитель, который состоят из нескольких цилиндров, вложенных друг в друга. Задача такого распылителя — равномерно распределить топливо в первичной и вторичной камерах, чтобы обеспечить более качественное смешение с воздухом. К слову, воздух поступает в камеру не напрямую, а через фильтр, который помогает отсеять любые посторонние примеси, выводящие из строя топливопровод и его части.
Качеством смеси управляет основная заслонка, и расшифровка номера карбюратора поможет выяснить ее тип. Она имеет расположение в центральной части корпуса и обладает меньшей рабочей температурой, чем топливо. Так, изменяя пропорции бензина и воздуха, можно регулировать обороты мотора и интенсивность вращения вала, а также температуру ДВС. По такому же принципу устроена и педаль акселератора, которая контролирует количество поступающей в мотор смеси.
Поршневая группа
Самую важную роль играют механические составляющие и части мотора. Одним из механизмов, которые обуславливают устройство двигателя, является поршень в сборе с кривошатунным механизмом. Из какого металла изготавливается данная часть мотора? Очевидно, что рабочая температура в цилиндре достигает несколько сотен градусов по Цельсию, и необходимо не только выдерживать подобные перегрузки, но и противостоять процессам расширения.
Оказывается, что бороться с подобными явлениями способен сплав из чугуна и стали. Такой материал обладает относительно небольшим весом и при этом может выдерживать значительные нагрузки, не расширяясь и не разрушая полость цилиндра.
Основная часть поршня мотора работает в паре с шатуном, который посредством шарнира закрепляется к коленчатому валу.
Коленвал предназначен для того, чтобы передавать энергию двигающегося поршня карданному валу и колесам, что способствует наибольшему КПД при небольших потерях энергии.
Кроме основного коленчатого вала, в двигателе присутствует такая его часть, как система клапанов. Их задача – производить впуск свежей топливной смеси или выпуск отработанной, для наполнения цилиндра новой порцией топлива. Клапана, соединенные между собой коромыслом, жестко связаны между собой. Это позволяет держать один клапан закрытым при одновременном открытии второго. Такая система способствует более эффективному обмену смеси и продуктов горения, что приводит к большей надежности и долговечности мотора.
Каждый клапан, которым оборудуются двигатели внутреннего сгорания, обладает такой частью, как толкатель. Толкатель представляет из себя подобие маленькой железной наковальни, которая позволяет воздействовать на коромысло и приводить каждую из пар клапанов в движение.
На данном этапе возникает вопрос: что может заставить двигаться клапан, установленный в автомобильный двигатель? Такой деталью является основной распределительный вал мотора, задача которого — одновременно манипулировать всеми клапанами и по системе приводить их в движение. Вал имеет множество кулачков, которые повернуты друг относительно друга на некоторый угол. При движении части поршня, распредвал проворачивается, надавливает кулачком на один из толкателей, и затем происходит впрыск или выпуск смеси.
Розжиг топлива, поступающего в двигатель автомобиля, производится при помощи свечей зажигания, которые серийно устанавливаются на двигатель внутреннего сгорания и обладают малым весом. Они, в свою очередь, запитываются от основного генератора и, проходя через катушку зажигания, ток усиливается, стабилизируется и способен произвести розжиг значительного количества бензина.
Подводя итоги
Двигатель внутреннего сгорания — это сложное устройство, имеющее большое количество деталей и составляющих. Тем не менее, в его принципе работы разобраться несложно даже начинающему мастеру, и понять, что такое ДВС и за счет чего он работает, может каждый. Зная базовые законы физики, можно понять смысл и назначение каждой детали и устройство двигателя внутреннего сгорания, а также процессы, которые происходят при его работе.
