Как работает двигатель: принципы функционирования и внутреннее устройство
Двигатели - неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. От легковых автомобилей до огромных судов и самолетов, они дают возможность перемещаться и перевозить грузы. Но как именно работает это чудо техники? Давайте разберемся!
История создания двигателей
Первые попытки создания двигателей относятся еще к XVII веку. В 1678 году голландский математик Христиан Гюйгенс сконструировал примитивный двигатель внутреннего сгорания, работающий на порохе. В 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель на жидком топливе. А в 1807 году Франсуа Исаак де Риваз создал поршневой двигатель на газообразном водороде с искровым зажиганием.
Однако по-настоящему прогресс в конструировании двигателей начался во второй половине XIX века благодаря немецким инженерам Готлибу Даймлеру и Карлу Бенцу. В 1885 году Бенц установил одноцилиндровый бензиновый мотор на автомобиль собственной конструкции. Этот 1,5-сильный двигатель и по праву считается первым автомобильным двигателем внутреннего сгорания.
В 1864 году француз Жан Этьен Ленуар продал свыше 1 400 своих двигателей и неплохо на этом нажился.
С тех пор конструкция двигателей постоянно совершенствовалась. Повышалась их мощность и надежность, снижался расход топлива, улучшались экологические характеристики.
Типы двигателей
Существует несколько основных типов двигателей:
- Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
- Реактивный двигатель
- Ракетный двигатель
- Электродвигатель
Двигатель внутреннего сгорания
Наиболее распространенный тип - двигатель внутреннего сгорания или ДВС. Это тепловые машины, в которых химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Различают несколько разновидностей ДВС:
- Поршневой
- Роторно-поршневой
- Газотурбинный
Поршневые ДВС являются наиболее распространенными. Их принцип действия основан на преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. При этом происходит последовательность процессов - тактов, в результате которых осуществляется подача топлива, его сжатие, сгорание и выпуск отработанных газов.
Реактивный двигатель
В реактивных двигателях используется реактивная сила истекающих газов. Пример - турбореактивный двигатель на самолетах. Топливо сгорает в камере сгорания и направляется через сопло, создавая реактивную тягу.
Как работает двигатель: основные части и принципы функционирования
Рассмотрим подробней устройство и принцип работы на примере поршневого ДВС - самого распространенного типа двигателей в автомобилях, поездах, кораблях.
Основные части поршневого ДВС
Поршневой ДВС состоит из следующих основных частей:
- Блок цилиндров с цилиндрами и поршнями
- Коленчатый вал и шатуны
- Камера сгорания
- Клапаны
- Система питания (топливная)
Принцип работы четырехтактного ДВС
Рабочий цикл четырехтактного ДВС включает следующие этапы:
- Впуск - поршень идет вниз, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает топливовоздушная смесь
- Сжатие - поршень движется вверх, смесь сжимается
- Рабочий ход - происходит сгорание смеси, газы расширяются и толкают поршень вниз
- Выпуск - открывается выпускной клапан, поршень выталкивает отработавшие газы
Затем цикл повторяется. Коленчатый вал с шатунами преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращение, передавая крутящий момент на трансмиссию и далее на ведущие колеса.
| Четырехтактный ДВС | Двухтактный ДВС |
| 4 такта (впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск) | 2 такта |
| Более экономичный и экологичный | Проще устроен, дешевле |
Помимо четырехтактных, существуют двухтактные ДВС. Они отличаются меньшим количеством тактов в рабочем цикле, что видно из таблицы.
Топливо и топливные системы
Для работы ДВС необходимо топливо. Наиболее распространены бензиновые и дизельные двигатели. Но существует множество альтернатив:
- Газ (пропан-бутан, метан)
- Водород
- Этанол и др. биотопливо
- Растворители, спирты
Система питания подает топливо в двигатель. Различают несколько типов:
- Карбюраторная система - устарела
- Инжекторная система
- Распределенный впрыск во впускной коллектор
- Прямой впрыск в цилиндры
В инжекторных системах используются форсунки, через которые под высоким давлением впрыскивается топливо. Электронный блок управления следит за оптимальным составом топливовоздушной смеси.
Также в состав топливной системы входят:
- Топливный бак
- Топливный фильтр
- Топливный насос
- Топливные трубопроводы
Система зажигания бензиновых двигателей
Для воспламенения топливной смеси в бензиновых ДВС используется электрическая система зажигания. Она включает свечи зажигания, распределитель зажигания, высоковольтные провода.
Свечи зажигания
Свечи зажигания располагаются в головке блока цилиндров двигателя. Они обеспечивают электрический разряд для воспламенения топливно-воздушной смеси. Конструктивно свеча состоит из корпуса, центрального электрода и бокового электрода. Между ними при подаче напряжения искрится, образуя искру.
Моменты искрообразования
Для эффективной работы двигателя искра на свечах должна образовываться строго определенном момент. Должен соблюдаться принцип "работает" опережения зажигания - то есть искра должна возникнуть до верхней "мертвой точки", где происходит максимальное сжатие смеси. Иначе сгорание будет неполным или отсутствовать.
Регулировка зазоров на свечах
"Работает двигатель" не будет при неправильном зазоре между электродами свечей. Если зазор слишком большой - пропадает искра. Слишком маленький приводит к пробою изолятора. Зазор регулируется с помощью щупа и должен составлять в пределах 0,7-1 мм.
Подсистема высокого напряжения
Для работы свечей зажигания при подаче импульса напряжения нужно около 20-30 кВ. Такое высокое напряжение вырабатывается катушкой зажигания при скачкообразном размыкании ее первичной цепи с помощью прерывателя-распределителя.
Высоковольтные провода
От вторичной обмотки катушки зажигания идут высоковольтные провода к каждой свече. Запрещено использовать провода в поврежденной изоляции — искрение может повредить другие "работает двигатель" системы автомобиля или оболочку самого провода.
Неисправности системы зажигания
Типичные неисправности системы зажигания:
- Пропуски искрообразования из-за загрязнения или износа свечей
- Обрыв высоковольтных проводов
- Нарушение регулировки угла опережения зажигания
- Неисправность катушки или распределителя зажигания
Это приводит к пропускам в работе двигателя, неустойчивому холостому ходу, потере мощности, повышенному расходу топлива.
Диагностика неисправностей системы зажигания
Для поиска неисправностей проверяют:
- Наличие искрообразования на свечах
- Сопротивление катушки и высоковольтных проводов
- Работу датчиков (фазы и положения распределителя)
- Работу исполнительных механизмов (привод распределителя)
Ремонт системы зажигания
При обнаружении неисправностей проводят:
- Замену вышедших из строя компонентов
- Регулировку и чистку свечей, зазоров
- Проверку герметичности высоковольтных цепей
Профилактика системы зажигания
Для предотвращения поломок рекомендуется:
- Регулярно менять свечи (каждые 10-20 тыс. км)
- Проверять техническое состояние проводов
- Своевременно менять расходные материалы (масло, фильтры)
Система охлаждения отводит избыточное тепло от деталей двигателя для предотвращения их перегрева.
Жидкостное охлаждение
В большинстве двигателей используется жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Она включает:
- Радиатор
- Жидкостный насос
- Расширительный бачок
- Вентилятор
Воздушное охлаждение
В некоторых двигателях применяется воздушное охлаждение. Охлаждение происходит за счет обдува деталей потоком воздуха с помощью вентилятора.
Система смазки двигателя
Система смазки подает масло к трущимся деталям двигателя для уменьшения износа и трения.
Под давлением и разбрызгиванием
В двигателях используется принудительная смазка под давлением и разбрызгиванием. Масляный насос забирает масло из картера и под давлением подает его к масляным каналам и отверстиям.
В качестве смазочного материала в ДВС используется специальное моторное масло. Оно должно обладать определенными свойствами:
- Вязкостно-температурные
- Моющие
- Антифрикционные
- Антикоррозионные
Проверка уровня, замена и очистка масла
Необходим регулярный контроль уровня масла в картере. Также требуется периодическая замена отработанного масла и масляного фильтра через указанные в инструкции к автомобилю интервалы.
Система впуска и выпуска
Системы впуска и выпуска обеспечивают поступление воздуха и отвод отработанных газов.
Воздух поступает через впускной коллектор, соединенный с дроссельной заслонкой, регулирующей поток.