Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Если вы похожи на большинство водителей, ваше понимание того, как работает автомобильный двигатель, сводится к простому ощущению, что вы заправляете бензин, начинается какой-то пожар, и вы двигаетесь вперед.

Для большинства водителей это вся информация, которую они хотят знать. Но любопытному читателю всегда нужно больше.

Итак, как работает автомобильный двигатель?

Думайте о двигателе вашего автомобиля как о большом воздушном насосе, потому что это именно то, чем он является. Бензин, поршни, свечи зажигания - все это облегчает прокачку воздуха через двигатель, генерируя тем самым мощность. Существует множество различных типов воздушных насосов, но в случае двигателя внутреннего сгорания энергия, необходимая для прокачки, генерируется путем смешивания воздуха с топливом и поджигания этой смеси.

Все начинается с воздуха снаружи машины. Этот воздух фильтруется воздушным фильтром, а затем немедленно смешивается с топливом либо через карбюратор (в старых автомобилях), либо через систему впрыска топлива. Эта смесь топлива и воздуха идет через впускной коллектор, который направляет ее к головке(ам) цилиндров.

Головка цилиндров действует как своего рода привратник между впускной камерой и камерой сгорания (цилиндрами). При этом в большинстве автомобилей стоит четыре, шесть или восемь камер сгорания, и если все эти камеры одновременно воспламенят свою воздушно-топливную смесь, двигатель не может работать плавно или генерировать достаточно энергии. Поэтому, чтобы мотор работал бесперебойно и эффективно, подача топливной смеси и искра, которая вызывает взрыв, должны быть точно рассчитаны по тайм-ауту.

Чтобы это произошло, требуются клапаны, и важно, чтобы эти клапаны открывались в нужный момент. В автомобильном двигателе эти клапаны являются частью головки цилиндров, и они открываются и закрываются вращением распределительного вала, который работает внутри двигателя, используя удлиненные лепестки, чтобы толкать клапаны в открытое положение. При открытом впускном клапане цилиндр заполнен топливной смесью. Далее автомобилю нужно распределить искру в камере сгорания - для этого используется дистрибьютор. Распределительный вал и распределитель соединены шестернями, чтобы распределитель всегда "знал", какой цилиндр нуждается в искре.

Когда впускной клапан открывается, распределитель посылает искру через провод свечи зажигания к свече зажигания. Это создает искру внутри цилиндра, которая, в свою очередь, вызывает взрыв. Этот взрыв опускает поршень вниз, толкая его к коленвалу, что приводит к вращению коленвала. Это вращение, в свою очередь, заставляет работать трансмиссию, которая вращает карданный вал и тот в свою очередь передает крутящий момент на колеса. На крейсерской скорости коленчатый вал будет вращаться со скоростью около 3000 оборотов в минуту (об/мин).

Одновременно выпускные клапаны выпускают остатки сгоревшей топливной смеси, направляя их через выхлопную систему и фильтруя их по пути.

Это так все просто. Чем больше воздуха вы прокачиваете, тем больше энергии вы производите.

Примечание: бензиновые и дизельные двигатели с искровым зажиганием отличаются тем, как они подают и поджигают топливо. В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом и затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливовоздушную смесь, искра зажигает ее, вызывая сгорание. Расширение газов сгорания толкает поршень во время рабочего хода.

В дизельном двигателе в двигатель вводится только воздух и затем сжимается. Далее в дизельном двигателе топливо распыляется в горячий сжатый воздух с подходящей, измеренной скоростью, вызывая его воспламенение.

Важно: за последние 30 лет научные исследования и разработки помогли производителям сократить выбросы ДВС в загрязняющие вещества, такие как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (ТЧ), более чем на 99% в соответствии со стандартами выбросов EPA. При этом исследования привели к улучшению характеристик ДВС (лошадиных сил и времени разгона 0-100 км/ч) и эффективности, помогая производителям поддерживать и увеличивать экономию топлива.

Количество клапанов варьируется от двигателя к двигателю

Общее количество клапанов в двигателе будет варьироваться. Старые двигатели имеют 1 впускной и 1 выпускной клапан на цилиндр. Для 8-цилиндрового двигателя двигатель имеет всего 16 клапанов (2 x 8). Некоторые двигатели имеют 2 впускных клапана и 1 выпускной клапан на цилиндр. 6-цилиндровый двигатель с такой установкой 3 клапана на цилиндр будет иметь 18 клапанов (3 x 6). Многие современные двигатели имеют 2 впускных и 2 выпускных клапана для каждого цилиндра. Четырехцилиндровый двигатель с 4 клапанами на цилиндр, конечно, будет иметь в общей сложности 16 клапанов (4 х 4).

Как вы можете видеть из этих примеров, общее количество клапанов НЕ говорит вам, сколько цилиндров в двигателе.

Конфигурации с одним или двумя распределительными валами

Все двигатели с верхним расположением клапанов (кулачок в блоке) имеют один распределительный вал для двигателя. Двигатели с верхним расположением кулачков с распределительными валами в головках могут иметь один цилиндр на головку или два на головку. Если их два, каждый распределительный вал предназначен для работы впускного или выпускного клапанов.

Терминология двигателя говорит нам, что двигатель с одним распределительным валом PER HEAD является двигателем SOHC (с одним верхним кулачком). Аналогично, двигатель с двумя кулачками на головку называется двигателем DOHC (двойной верхний кулачок). Будьте осторожны при подсчете распредвалов! V-образный двигатель DOHC с двумя головками цилиндров имеет четыре распределительных вала (по два на голову).

Как сила от поршней движет машину?

Итак, как двигатель преобразует это движение вверх-вниз во вращательное движение? Для начала опишем как все это технически выглядит: нижний конец шатуна крепится к коленчатому валу, который служит выходным валом для всего двигателя. Эта точка крепления на коленчатом валу смещена от осевой линии коленчатого вала. Когда шатун движется вверх и вниз с поршнем, он вращает коленчатый вал. Представьте работу ног велосипедиста. Движение вверх-вниз на шарнирном колене очень похоже на то, что происходит с поршнем и верхней частью шатуна. Движение вверх и вниз ноги велосипедиста преобразуется во вращательное движение.

Сам коленчатый вал находится в нижней части блока цилиндров. Поскольку коленчатый вал вынужден поворачиваться от мощности, вырабатываемой в течение 4-тактного цикла, он создает крутящее движение или крутящий момент. Задний конец кривошипа выходит из блока цилиндров сзади, и оттуда он соединяется с маховиком, трансмиссией, приводным и осевым валами, в конечном итоге достигая ведущих колес. Это сила, которая заставляет автомобиль двигаться.

В задней части двигателя, где коленчатый вал выходит из блока цилиндров, прикреплен маховик.

Важно: теперь, когда у вас появилось хотя бы примерное представление о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, вы наверняка оцените важность регулярного технического обслуживания, особенно замены масла, которое обеспечивает смазку всех движущихся частей.

Откуда клапаны "знают", когда открываться и закрываться?

Впускной и выпускной клапаны приводятся в движение отдельными распределительными валами. Эти клапаны выполняют важную функцию, и их движение точно синхронизировано.

Назначение клапанов

Двигатель должен иметь как минимум один впускной клапан и один выпускной клапан для каждого цилиндра. Для того чтобы 4-тактный цикл был успешным, открытие и закрытие этих клапанов точно контролируется - синхронизируется с движением поршней, чтобы каждый клапан выполнял свою работу именно тогда, когда это необходимо.

Открытие и закрытие всех клапанов двигателя осуществляется распределительным валом. Каждый распределительный вал содержит несколько «лепестков», которые представляют собой части неправильной формы, расположенные на центральном валу. По мере того, как распределительный вал вращается, эти лепестки соприкасаются с другими компонентами для перемещения клапанов.

Сами клапаны обычно закрыты и удерживаются пружинами клапанов. При этом лепестки должны преодолевать давление пружины, чтобы открыть клапаны. Поскольку лепесток продолжает вращаться, пружины снова закрывают клапаны.

Примечание: в двигателях с верхним расположением клапанов распределительные валы установлены в блоке двигателя и соединены с клапанами подъемниками, толкателями и коромыслами (в зависимости от конструкции двигателя). В двигателях с верхним распредвалом распределительные валы находятся в головке цилиндров.