Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу. В поршневом ДВС процесс сгорания топлива проходит в замкнутом объёме (цилиндре), где расширение продуктов сгорания (газов) вызывает поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Сегодня абсолютное большинство автомобилей приводятся в движение поршневыми ДВС. Другие виды ДВС (роторно-поршневые и газотурбинные) встречаются на автомобилях крайне редко, а альтернативные источники энергии (электромоторы, водородные топливные элементы) ещё не получили широкого распространения. Поршневые ДВС работают на бензине (бензиновые ДВС), дизельном топливе и других продуктах нефтепереработки (дизельные ДВС), а также на этаноле, биодизеле, сжиженном газе и монооксиде углерода, вырабатываемом газогенератором. К достоинствам поршневого ДВС относят невысокую стоимость, относительную простоту в обслуживании, автономность, универсальность, небольшие размеры и массу, быстрый запуск и широкий диапазон характеристик, к недостаткам - низкий КПД (20-50%), большую частоту вращения коленчатого вала, ограниченный ресурс, шумность и токсичность выхлопных газов.
Устройство поршневого ДВС | ||
---|---|---|
Корпус двигателя | ![]()
|
|
Кривошипно-шатунный механизм | ![]() Ещё одним элементом КШМ является маховик двигателя, состоящий из одного или двух соединённых дисков. Маховик устанавливается на конце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника и служит для устранения неравномерности вращения коленчатого вала и гашения крутильных колебаний. Через маховик также осуществляется передача крутящего момента от двигателя к коробке передач и запуск двигателя стартером. Иногда в состав КШМ также входят балансирные валы, расположенные по обе стороны от коленвала. Они необходимы для уравновешивания сил инерции в несбалансированных двигателях и способствуют снижению перегрузок, шума и вибраций. |
|
Газораспределительный механизм | ![]() В нижнеклапанных двигателях клапаны находятся в блоке сбоку от цилиндров, в верхнеклапанных - в головке блока. Распредвал тоже может располагаться как в блоке цилиндров (в нижнеклапанных, смешанных моторах и в OHV), так и в его головке (SOHC или DOHC). В последнем случае применяется один распредвал (SOHC) с двумя клапанами на цилиндр или два распредвала (DOHC) с четырьмя и более клапанами на цилиндр. Клапаны нужны для того, чтобы в нужные моменты открывать или закрывать впускные и выпускные отверстия в цилиндре. Клапан представляет собой тарелку, которая удерживается в закрытом состоянии пружиной и открывается при нажатии на стержень. Передача усилия от кулачков распределительного вала к клапанам осуществляется при помощи толкателей, роликовых рычагов или коромысел. Обычные клапанные двигатели независимо от типа ГРМ имеют один недостаток: на высоких оборотах коленчатого вала из-за инерции клапанов и резонанса пружины происходит т.н. зависание клапанов - неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мёртвой точки, которое приводит к столкновению поршня с клапаном и выходу двигателя из строя. Полностью устранить эту проблему удалось в десмодромном ГРМ, обеспечивающим непосредственное управление клапанами двумя верхними распредвалами (или одним с кулачками сложной формы) при отсутствии клапанных пружин. Эта технология применялась на некоторых гоночных автомобилях 50-х гг. (Mercedes-Benz 300SLR), но не дошла до серийного производства в связи с высокой стоимостью, шумностью и необходимостью высококачественного смазочного масла. Другими способами предотвращения зависания клапанов являются использование лёгких материалов для изготовления клапанов и пружин, установка нескольких вложенных друг в друга пружин на одном клапане и пневматический привод клапанов. На современных двигателях также применяется электронная система изменения фаз газораспределения (CVVT), в которой открывание и закрывание клапанов регулируется принудительно в соответствии с параметрами работы двигателя. Она обеспечивает повышение мощности, снижение расхода топлива и сокращение вредных выбросов. Существует альтернатива клапанным системам ГРМ - гильзовая система газораспределения, разработанная Чарльзом Найтом. В двигателях Найта впускные и выпускные отверстия в цилиндре открывались и закрывались не клапанами, а скользящими гильзами. Система была полностью бесшумной и отличалась долговечностью, но из-за сложности и высокого расхода масла перестала употребляться с появлением более эффективных верхнеклапанных моторов. |
|
Система питания | Система питания ДВС объединяет топливную систему, предназначенную для хранения, очистки и подачи топлива к двигателю, и систему впрыска, обеспечивающую образование топливно-воздушной смеси и впрыск её в цилиндры.
Топливная система состоит из топливного бака, топливного насоса, топливопроводов и топливного фильтра. Топливный бак обычно размещается в задней части автомобиля и служит в качестве резервуара для горючего. От него к двигателю ведут два топливопровода: подающий, в котором поддерживается давление, и сливной, по которому излишки топлива возвращаются в бак. Очистка топлива производится в топливном фильтре. Давление в системе поддерживает топливный насос. В карбюраторных ДВС используется механический топливный насос с приводом от распредвала, установленный на двигателе, в инжекторных - электрический топливный насос, расположенный в топливопроводе или в топливном баке. На ранних автомобилях топливный насос отсутствовал, а бензин поступал в карбюратор самотёком. В бензиновом ДВС бывает два вида систем впрыска:
|
|
Наддув | Один из способов повышения мощности двигателя, заключающийся в использовании специального механизма подачи воздуха в цилиндры под давлением. Такими механизмами могут быть нагнетатель, турбонаддув или их комбинация.
|
|
Система зажигания | ![]() |
|
Система смазки | ![]() |
|
Система охлаждения | ![]() Более простая воздушная система охлаждения применялась на некоторых автомобилях с небольшими двигателями. В такой системе отсутствовал радиатор, а по каналам охлаждения циркулировал воздух. Несмотря на простоту в обслуживании и отсутствие риска замерзания воды зимой, двигатели с воздушным охлаждением вышли из употребления из-за проблемы перегрева в жаркую погоду и чрезмерного шума. |
|
Выпускная система | ![]() |
Современные ДВС также оснащаются всевозможной электроникой:
Работа поршневого ДВС характеризуется такими параметрами:
Отдельно следует рассмотреть такие характеристики двигателя, как мощность и крутящий момент. Крутящий момент поршневого ДВС - это произведение силы, действующей на поршень при сгорании топлива в цилиндре, на длину кривошипа коленчатого вала. Измеряется в ньютон-метрах (Нм) или фунто-футах (lbf·ft) в Англии и США. Мощность - это работа, совершаемая двигателем за единицу времени. Мощность, измеряемая в киловаттах (кВт) показывает, сколько раз за единицу времени двигатель вырабатывает крутящий момент. Мощность прямо пропорциональна количеству оборотов коленчатого вала в секунду, а крутящий момент - обратно пропорционален. Это означает, что максимальная мощность достигается на высших оборотах, а максимальный крутящий момент - на низших.
Показатель мощности напрямую влияет на скорость автомобиля: чем мощнее двигатель, тем быстрее автомобиль движется. Однако максимальная мощность достигается только на высоких оборотах, а для раскрутки двигателя до этих оборотов нужно время. На более низких оборотах мощность всегда будет меньше, и здесь большое значение имеет крутящий момент. Если крутящий момент достаточно высокий и достигается на низких оборотах, автомобиль будет лучше разгонятся на каждой передаче и быстрее наберёт максимальную скорость. Таким образом, мощность автомобиля пропорциональна его максимальной скорости, а крутящий момент обратно пропорционален времени разгона. Оптимальное соотношение между мощностью и крутящим моментом зависит от предназначения автомобиля. Например, на высокоскоростных гоночных трассах решающую роль будет играть мощность, а на соревнованиях по драг-рейсингу разгон автомобиля будет определяться его крутящим моментом. В наше время автопроизводители всё чаще отдают предпочтение моделям с турбодизельными двигателями, так как они развивают больше крутящего момента, чем бензиновые, и это целиком компенсирует недостаток мощности.
Традиционно мощность автомобилей измеряется в лошадиных силах (л.с.). Понятие лошадиной силы было введено Джеймсом Уаттом в конце XVIII века для сравнения мощности паровых машин с количеством лошадей, которых они могут заменить. Одна лошадиная сила равнялась 75 кгс·м/с - мощности, затрачиваемой при равномерном вертикальном поднимании груза массой 75 кг со скоростью 1 м/с при обычном ускорении свободного падения (9,8 м/с2). В большинстве стран принят стандарт метрической лошадиной силы (нем. PS, франц. CV), которая равна 735,49875 Вт. В США и Великобритании используется другая система мер, поэтому там лошадиная сила (HP) равна 745,69987 Вт. В связи с этим мощность автомобилей американского и британского производства в пересчёте на метрическую систему будет на несколько лошадиных сил больше.
В разных странах существовали разные способы измерения мощности в лошадиных силах. Так, в США действовала система стандартов SAE (Society of Automotive Engineers). До 1972 г. мощность двигателей измерялась в валовых лошадиных силах (bhp) по упрощённому методу: замер делался на маховике силового агрегата без учёта дополнительного оборудования (генератора, выхлопной системы, системы охлаждения и т.д.) и атмосферных условий. Это давало в среднем на 20% больше мощности, чем было на самом деле, и позволяло американским автопроизводителям завышать показатели в сравнении с мощностью импортных машин. В 1972 г. в соответствии с экологическим законодательством рейтинги мощности были в обязательном порядке пересчитаны по методу SAE net, соответствующему международным стандартам (с учётом дополнительного оборудования, но без учёта потерь на трансмиссию). После 1972 г. официальные показатели мощности американских автомобилей заметно снизились, но стали сравнимы с европейскими.