Как работают автомобильные двигатели

Давайте рассмотрим процесс внутреннего сгорания более подробно в следующем разделе.

Внутреннее сгорание

Принцип любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: если вы поместите крошечное количество топлива с высокой плотностью энергии (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и подожжете его, в результате высвобождается невероятное количество энергии. форма расширяющегося газа.

Ты можешь использовать эту энергию в интересных целях. Например, если вы можете создать цикл, который позволяет вам производить подобные взрывы сотни раз в минуту, и если вы можете использовать эту энергию с пользой, то у вас есть сердцевина автомобильного двигателя.

Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем используетчетырехтактный цикл сгораниядля преобразования бензина в движение. Четырехтактный подход также известен какцикл Оттов честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. Четыре штриха проиллюстрированы ванимацииОни:

• Впускной ход
• Такт сжатия
• Такт сгорания
• Такт выпуска

Поршень соединен сколенчатым валомс помощьюшатуна. Когда коленчатый вал вращается, он «сбрасывает пушку». Вот что происходит, когда двигатель проходит свой цикл:

Теперь двигатель готов к следующему циклу, поэтому он всасывает еще одну порцию воздуха и газа.

В двигателе линейное движение поршней преобразуется коленчатым валом во вращательное движение. Вращательное движение хорошо, потому что мы все равно планируем крутить (вращать) колеса автомобиля с его помощью.

Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе, чтобы это произошло, начиная с цилиндров.

Основные детали двигателя

Основой двигателя является цилиндр, в котором поршень движется вверх и вниз. Одноцилиндровые двигатели типичны для большинства газонокосилок, но обычно автомобили имеют более одного цилиндра (распространены четыре, шесть и восемь цилиндров). В многоцилиндровом двигателе цилиндры обычно расположены одним из трех способов:рядный,Vилиплоский(также известный как горизонтально противоположный или боксер), как показано на рисунках слева.

Итак, рядная четверка, о которой мы упоминали в начале, - это двигатель с четырьмя цилиндрами, расположенными в ряд. Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения гладкости, стоимости изготовления и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для определенных автомобилей.

Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно.

Свеча зажигания

Свеча зажигания подает искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь, так что может произойти сгорание. Искра должна произойти в нужный момент, чтобы все работало правильно.

Вентили

Впускной и выпускной клапаны открываются в нужное время для впуска воздуха и топлива и выпуска выхлопных газов. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время сжатия и сгорания, так что камера сгорания герметична.

Поршень

Поршень представляет собой цилиндрический кусок металла, который движется вверх и вниз внутри цилиндра.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают скользящее уплотнение между внешней кромкой поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца служат двум целям:

• Они предотвращают попадание топливно-воздушной смеси и выхлопных газов из камеры сгорания в картер во время сжатия и сгорания.
• Они предотвращают утечку масла из поддона в зону сгорания, где оно сгорает и теряется.

Большинство автомобилей, которые "жгут масло" и должны доливать литр масла каждые 1000 миль, сжигают его, потому что двигатель устарел, а кольца больше не герметизируют вещи должным образом. Многие современные автомобили используют более современные материалы для поршневых колец. Это одна из причин, почему двигатели служат дольше и могут работать дольше между заменами масла.

Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может вращаться с обоих концов, так что его угол может изменяться при движении поршня и вращении коленчатого вала.

Коленчатый вал

Коленчатый вал превращает движение поршня вверх-вниз в круговое, как это делает кривошип домкрата.

Отстойник

Поддон окружает коленчатый вал. В нем содержится некоторое количество масла, которое скапливается на дне поддона (масляного поддона).

Далее мы узнаем, что может пойти не так с двигателями.

Проблемы с двигателем

Итак, однажды утром вы выходите на улицу, и ваш двигатель крутится, но не заводится. Что может быть не так? Теперь, когда вы знаете, как работает двигатель, вы можете понять основные вещи, которые могут помешать его работе.

Могут произойти три основные вещи: плохая топливная смесь, отсутствие компрессии или отсутствие искры. Кроме того, тысячи мелких вещей могут создать проблемы, но это «большая тройка». Основываясь на простом движке, который мы обсуждали, вот краткое изложение того, как эти проблемы влияют на ваш движок:

Плохая топливная смесь может возникнуть несколькими способами:

Отсутствие компрессии: Если заряд воздуха и топлива не может быть сжат должным образом, процесс горения не будет работать должным образом. Отсутствие сжатия может произойти по следующим причинам:

• Ваши поршневые кольца изношены (что позволяет воздушно-топливной смеси просачиваться мимо поршня во время сжатия).
• Впускной или выпускной клапаны не герметичны, что опять-таки допускает утечку во время сжатия.
• В цилиндре дырка.

Наиболее распространенное «отверстие» в цилиндре возникает там, где верхняя часть цилиндра (удерживающая клапаны и свечу зажигания, также известная какголовка цилиндра) присоединяется к цилиндру сам. Как правило, цилиндр и болт головки цилиндра вместе с тонкойпрокладкой зажаты между ними, чтобы обеспечить хорошее уплотнение. Если прокладка выходит из строя, между цилиндром и головкой цилиндра образуются небольшие отверстия, которые вызывают утечки.

Отсутствие искры: Искра может отсутствовать или быть слабой по нескольким причинам:

Многие другие вещи могут пойти не так. Например:

• Если аккумулятор разряжен, вы не сможете запустить двигатель, чтобы запустить его.
• Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не может вращаться, поэтому двигатель не может работать.
• Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или вообще не открываются, воздух не может попасть внутрь, а выхлопные газы не могут выйти, поэтому двигатель не запустится.
• Если у вас закончилось масло, поршень не может свободно двигаться вверх и вниз в цилиндре, и двигатель заклинит.

В правильно работающем двигателе все эти факторы работают нормально. Совершенство не требуется, чтобы заставить двигатель работать, но вы, вероятно, заметите, когда что-то не идеально.

Как видите, в двигателе есть ряд систем, которые помогают ему выполнять свою работу по преобразованию топлива в движение. Мы рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих нескольких разделах.

Система клапанов двигателя и системы зажигания

Большинство подсистем движка могут быть реализованы с использованием разных технологий, а более совершенные технологии могут повысить производительность движка. Давайте рассмотрим все различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с клапанного механизма.

Клапанный механизм состоит из клапанов и механизма, который их открывает и закрывает. Система открытия и закрытия называетсяраспредвал. Распределительный вал имеет выступы, которые перемещают клапаны вверх и вниз, как показано наРисунок 5.

Большинство современных двигателей имеют так называемыераспредвалы Это означает, что распределительный вал расположен над клапанами, как показано на рисунке 5. Кулачки на валу активируют клапаны напрямую или через очень короткую связь. В старых двигателях распределительный вал располагался в поддоне рядом с коленчатым валом.

Aремень ГРМ или цепь ГРМ соединяет коленчатый вал с распределительным валом, так что клапаны синхронизируются с поршнями. Распределительный вал вращается с половиной скорости вращения коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два на впуск, два на выпуск), и такое расположение требует двух распределительных валов на ряд цилиндров, отсюда и фраза «двойные верхние распредвалы».

система зажигания(рис. 6) производит электрический заряд высокого напряжения и передает его на свечи зажигания черезпровода зажиганияСначала заряд поступает краспределителю, которого легко найти под капотом большинства автомобилей. Распределитель имеет один провод, идущий по центру, и четыре, шесть или восемь проводов (в зависимости от количества цилиндров), выходящих из него. Этипровода зажигания посылают заряд на каждую свечу зажигания. Двигатель синхронизирован так, что только один цилиндр получает искру от распределителя одновременно. Такой подход обеспечивает максимальную плавность.

В следующем разделе мы рассмотрим, как двигатель вашего автомобиля запускается, охлаждает и циркулирует воздух.

Системы охлаждения, впуска воздуха и запуска двигателя

система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует по каналам вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, охлаждая его. В некоторых автомобилях (в первую очередь Volkswagen Beetle до 1999 г.), а также в большинстве мотоциклов и газонокосилок двигатель вместо этого имеет воздушное охлаждение (вы можете отличить двигатель с воздушным охлаждением по ребрам, украшающим внешнюю сторону каждого цилиндра, чтобы помочь рассеивать тепло). Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но более горячим, что обычно снижает срок службы двигателя и общую производительность.

Итак, теперь вы знаете, как и почему ваш двигатель остается холодным. Но почему циркуляция воздуха так важна? Большинство автомобилейбез наддува, что означает, что воздух проходит через воздушный фильтр прямо в цилиндры. Высокопроизводительные и современные экономичные двигатели бывают либос турбонаддувом, либос наддувом, что означает, что воздух, поступающий в двигатель, сначала сжимается (чтобы больше топливно-воздушная смесь может подаваться в каждый цилиндр) для повышения производительности. Величина наддува называетсяboost Турбокомпрессор использует небольшую турбину, прикрепленную к выхлопной трубе, чтобы вращать сжимающую турбину в потоке входящего воздуха. Нагнетатель прикреплен непосредственно к двигателю, чтобы вращать компрессор.

Поскольку турбонагнетатель повторно использует горячий выхлоп для вращения турбины и сжатия воздуха, он увеличивает мощность двигателей меньшего размера. Таким образом, экономичный четырехцилиндровый двигатель может иметь мощность, которую можно было бы ожидать от шестицилиндрового двигателя, при этом экономя топливо на 10-30 процентов лучше.

Увеличение мощности вашего двигателя - это здорово, но что именно происходит, когда вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его?система запускасостоит из электрического стартера истартерного соленоида Когда вы поворачиваете ключ зажигания, стартер прокручивает двигатель на несколько оборотов, поэтому что процесс горения может начаться. Для вращения холодного двигателя нужен мощный двигатель. Стартер должен преодолеть:

• Все внутреннее трение вызвано поршневыми кольцами
• Давление сжатия любого цилиндра(ов), который находится в такте сжатия
• Энергия, необходимая для открытия и закрытия клапанов распределительным валом
• Все остальные элементы, непосредственно прикрепленные к двигателю, такие как водяной насос, масляный насос, генератор и т. д.

Поскольку требуется так много энергии, а в автомобиле используется 12-вольтовая электрическая система, на стартер должны поступать сотни ампер электричества. Соленоид стартера, по сути, представляет собой большой электронный переключатель, который может выдерживать такой большой ток. Когда вы поворачиваете ключ зажигания, он активирует соленоид для питания двигателя.

Далее мы рассмотрим подсистемы двигателя, которые поддерживают то, что входит (масло и топливо) и выходит (выхлоп и выбросы).

Смазка двигателя, топливная, выхлопная и электрическая системы

Когда дело доходит до повседневного обслуживания автомобиля, первое, что вам нужно, это, вероятно, количество бензина в вашем автомобиле. Как газ, который вы заправляете, приводит в действие цилиндры?топливная система двигателя выкачивает бензин из бензобака и смешивает его с воздухом, чтобы в цилиндры поступала необходимая воздушно-топливная смесь. В современных автомобилях топливо подается двумя распространенными способами: впрыск через порт и прямой впрыск.

В инжекторном двигателе необходимое количество топлива впрыскивается отдельно в каждый цилиндр либо прямо над впускным клапаном (распределенный впрыск топлива), либо непосредственно в цилиндр (прямой впрыск топлива). Старые автомобили были карбюраторными, где газ и воздух смешивались карбюратором, когда воздух поступал в двигатель.

Нефть также играет важную роль. Системасмазки гарантирует, что каждая движущаяся часть двигателя получает масло, чтобы она могла легко двигаться. Двумя основными частями, требующими масла, являются поршни (чтобы они могли легко скользить в своих цилиндрах) и любые подшипники, которые позволяют таким вещам, как коленчатый и распределительный валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления песка, а затем под высоким давлением впрыскивается на подшипники и стенки цилиндров. Затем масло стекает в поддон, где снова собирается, и цикл повторяется.

Теперь, когда вы знаете о некоторых вещах, которые вы кладете в свою машину, давайте посмотрим, что из этого получается.выхлопная система включает выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов, вылетающих из выхлопной трубы. Глушитель глушит звук.

система контроля выбросовв современных автомобилях состоит изкаталитического нейтрализатора, набора датчиков и исполнительных механизмов, а также компьютера для мониторинга и все настроить. Например, каталитический нейтрализатор использует катализатор и кислород для сжигания неиспользованного топлива и некоторых других химических веществ в выхлопных газах. Кислородный датчик в потоке выхлопных газов проверяет, достаточно ли кислорода для работы катализатора, и при необходимости регулирует ситуацию.

Кроме бензина, что еще приводит в движение вашу машину? Электрическая система состоит изаккумулятораигенератора Генератор переменного тока соединен с двигателем ремнем и вырабатывает электричество для подзарядки аккумулятора. Аккумулятор обеспечивает 12-вольтовое питание для всего, что в автомобиле нуждается в электричестве (система зажигания, радио, фары, стеклоочистители, электрические стеклоподъемники и сиденья, компьютеры и т. д.) через проводку автомобиля.

Теперь, когда вы знаете все об основных подсистемах двигателя, давайте рассмотрим способы повышения производительности двигателя.

Увеличение мощности двигателя

Используя всю эту информацию, вы можете начать понимать, что существует множество различных способов улучшить работу двигателя. Производители автомобилей постоянно экспериментируют со всеми перечисленными ниже параметрами, чтобы сделать двигатель более мощным и/или более экономичным.

Увеличить рабочий объем: Больше рабочего объема означает большую мощность, потому что вы можете сжигать больше газа при каждом обороте двигателя. Вы можете увеличить рабочий объем, увеличив цилиндры или добавив больше цилиндров. Двенадцать цилиндров кажутся практическим пределом.

Увеличить степень сжатия: Чем выше степень сжатия, тем больше мощность до определенного предела. Однако чем больше вы сжимаете воздушно-топливную смесь, тем больше вероятность того, что она самопроизвольно воспламенится (до того, как свеча зажигания воспламенит ее). Бензины с более высоким октановым числом предотвращают такое раннее сгорание. Вот почему высокопроизводительным автомобилям обычно требуется высокооктановый бензин - их двигатели используют более высокую степень сжатия, чтобы получить большую мощность.

Набить больше в каждый цилиндр: Если вы можете втиснуть больше воздуха (и, следовательно, топлива) в цилиндр заданного размера, вы можете получить больше мощности от цилиндра (в так же, как если бы вы увеличили размер цилиндра) без увеличения количества топлива, необходимого для сгорания. Турбокомпрессоры и нагнетатели создают давление входящего воздуха, чтобы эффективно наполнить цилиндр большим количеством воздуха.

Охлаждение поступающего воздуха:Сжатие воздуха повышает его температуру. Однако вы хотели бы, чтобы в цилиндре был как можно более холодный воздух, потому что чем горячее воздух, тем меньше он будет расширяться при сгорании. Поэтому многие автомобили с турбонаддувом и наддувом имеютинтеркулер Интеркулер - это специальный радиатор, через который проходит сжатый воздух для его охлаждения перед поступлением в цилиндр.

Позвольте воздуху поступать легче: Когда поршень движется вниз во время такта впуска, сопротивление воздуха может лишить двигатель мощности. Сопротивление воздуха можно значительно уменьшить, установив в каждом цилиндре два впускных клапана. В некоторых новых автомобилях также используются полированные впускные коллекторы, чтобы устранить там сопротивление воздуха. Воздушные фильтры большего размера также могут улучшить поток воздуха.

Облегчение выхода выхлопных газов: Если сопротивление воздуха затрудняет выход выхлопных газов из цилиндра, это лишает двигатель мощности. Сопротивление воздуха можно уменьшить, добавив второй выпускной клапан в каждый цилиндр. Автомобиль с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеет по четыре клапана на цилиндр, что повышает производительность. Когда вы слышите рекламу автомобиля, в которой говорится, что у автомобиля четыре цилиндра и 16 клапанов, реклама говорит о том, что двигатель имеет четыре клапана на цилиндр.

Если выхлопная труба слишком маленькая или глушитель имеет большое сопротивление воздуха, это может вызвать обратное давление, которое имеет тот же эффект. В высокопроизводительных выхлопных системах используются коллекторы, большие выхлопные трубы и глушители со свободным потоком для устранения обратного давления в выхлопной системе. Когда вы слышите, что у автомобиля «двойной выхлоп», ваша цель состоит в том, чтобы улучшить поток выхлопных газов, установив две выхлопные трубы вместо одной.

Сделайте все легче: Легкие детали помогают двигателю работать лучше. Каждый раз, когда поршень меняет направление, он расходует энергию, чтобы остановить движение в одном направлении и начать его в другом. Чем легче поршень, тем меньше энергии он потребляет. Это приводит к повышению эффективности использования топлива, а также повышению производительности.

Впрыск топлива: Впрыск топлива позволяет очень точно дозировать топливо в каждый цилиндр. Это повышает производительность и экономию топлива.

В следующих разделах мы ответим на некоторые часто задаваемые читателями вопросы, связанные с движком.

Движок Вопросы и ответы

Вот несколько вопросов читателей по движку и их ответы:

• В чем разница между бензиновым двигателем и дизельным двигателем? В дизельном двигателе нет свечи зажигания. Вместо этого в цилиндр впрыскивается дизельное топливо, а тепло и давление такта сжатия вызывают воспламенение топлива. Дизельное топливо имеет более высокую плотность энергии, чем бензин, поэтому дизельный двигатель имеет больший пробег. Для получения дополнительной информации см. Как работают дизельные двигатели.
• В чем разница между двухтактным и четырехтактным двигателем? Большинство цепных пил и лодочных моторов используют двухтактные двигатели. В двухтактном двигателе нет подвижных клапанов, и свеча зажигания срабатывает каждый раз, когда поршень достигает верхней точки своего цикла. Отверстие в нижней части стенки цилиндра впускает газ и воздух. Когда поршень движется вверх, он сжимается, свеча зажигания воспламеняет горение, и выхлоп выходит через другое отверстие в цилиндре. В двухтактном двигателе масло необходимо подмешивать к бензину, потому что отверстия в стенке цилиндра не позволяют использовать кольца для герметизации камеры сгорания. Как правило, двухтактный двигатель производит большую мощность для своего размера, потому что за один оборот приходится в два раза больше циклов сгорания. Однако двухтактный двигатель потребляет больше бензина и сжигает много масла, поэтому он гораздо больше загрязняет окружающую среду. Для получения дополнительной информации см. Как работают двухтактные двигатели.
• Вы упомянули паровые двигатели в этой статье - есть ли преимущества перед паровыми двигателями и другими двигателями внешнего сгорания? Главное преимущество парового двигателя в том, что вы можете использовать все, что горит как топливо. Например, паровой двигатель может использовать в качестве топлива уголь, газету или дрова, а двигатель внутреннего сгорания нуждается в чистом, высококачественном жидком или газообразном топливе. Для получения дополнительной информации см. Как работают паровые двигатели.
• Зачем в двигателе восемь цилиндров? Почему бы не использовать вместо восьми цилиндров один большой цилиндр такого же объема? Есть несколько причин, по которым большой 4,0-литровый двигатель имеет восемь полулитровых цилиндров, а не один большой 4-литровый цилиндр. Основная причина - гладкость. Двигатель V-8 работает намного мягче, потому что у него восемь равномерно распределенных взрывов вместо одного большого взрыва. Другая причина - пусковой момент. Когда вы запускаете двигатель V-8, вы прокачиваете только два цилиндра (1 литр) во время тактов сжатия, но с одним большим цилиндром вместо этого вам пришлось бы сжимать 4 литра.

Чем отличаются 4-цилиндровые двигатели и двигатели V6?

Количество цилиндров в двигателе является важным фактором общей производительности двигателя. Каждый цилиндр содержит поршень, который качает внутри него, и эти поршни соединяются с коленчатым валом и вращают его. Чем больше поршней качает, тем больше воспламенений происходит в любой данный момент. Это означает, что больше энергии может быть произведено за меньшее время.

Четырехцилиндровые двигатели обычно имеют «прямую» или «рядную» конфигурацию, в то время как 6-цилиндровые двигатели обычно имеют более компактную V-образную форму и поэтому называются двигателями V6. Двигатели V6 были предпочтительным двигателем для американских автопроизводителей, потому что они мощные и тихие, но технологии турбонаддува сделали четырехцилиндровые двигатели более мощными и привлекательными для покупателей.

Исторически сложилось так, что американские автопотребители воротили носы от четырехцилиндровых двигателей, считая их медленными, слабыми, неуравновешенными и короткими в ускорении. Однако, когда японские производители автомобилей, такие как Honda и Toyota, начали устанавливать высокоэффективные четырехцилиндровые двигатели на свои автомобили в 1980-х и 90-х годах, американцы по-новому оценили компактный двигатель. Японские модели, такие как Toyota Camry, начали быстро продаваться лучше, чем аналогичные американские модели

В современных четырехцилиндровых двигателях используются более легкие материалы и технология турбонаддува, например, двигатель Ford EcoBoost, чтобы добиться производительности V-6 от более эффективных четырехцилиндровых двигателей. Усовершенствованная аэродинамика и технологии, подобные тем, что используются Mazda в конструкции SKYACTIV, снижают нагрузку на эти меньшие двигатели с турбонаддувом, еще больше повышая их эффективность и производительность.

Что касается будущего V6, то в последние годы разница между четырехцилиндровыми двигателями и двигателями V6 значительно уменьшилась. Но двигатели V-6 по-прежнему находят применение, и не только в спортивных автомобилях. Грузовикам, которые используются для буксировки прицепов или перевозки грузов, для выполнения этих задач требуется мощность двигателя V-6. Мощность в таких случаях важнее эффективности.

Часто задаваемые вопросы о двигателе автомобиля

Какой тип двигателя используется в автомобилях?

Двигатель автомобиля - это двигатель внутреннего сгорания. Существуют различные типы двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели относятся к одному типу, а газотурбинные двигатели - к другому.

Какова функция автомобильного двигателя?

Задачей бензинового двигателя автомобиля является преобразование бензина в движение, чтобы ваш автомобиль мог двигаться.

Из каких частей состоит автомобильный двигатель?

Основой двигателя является цилиндр, в котором поршень движется вверх и вниз. Другие ключевые детали включают свечу зажигания, клапаны, поршень, поршневые кольца, шатун, коленчатый вал и картер.

Как работает автомобильный двигатель, шаг за шагом?

Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем использует четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движение. Это такт впуска, такт сжатия, такт сгорания и такт выпуска.

Почему двигатель не заводится?

Могут произойти три основные вещи: плохая топливная смесь, отсутствие компрессии или отсутствие искры. Помимо этого, проблемы могут создавать тысячи мелких вещей, но это «большая тройка».