Бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

Бензиновые двигатели представляют собой двигатели внутреннего сгорания, смесь топлива и воздуха в цилиндрах которых подвергается предварительному сжатию, после чего воспламеняется электрической искрой.

Мощность в подобного типа двигателях регулируют дроссельной заслонкой, увеличивающей/уменьшающей поток воздуха.

Один из видов дросселя — карбюраторная дроссельная заслонка, осуществляющая регулировку подачи топливной смеси в группу цилиндров бензинового двигателя внутреннего сгорания. Исполняющий механизм представлен вращающейся по оси в трубе пластиной, дозирующей объем поступления регулируемой среды.

В машинах старше десяти лет дроссель управляется из салона водителя посредством педали. В более современных авто — посредством электродвигателя, управляемого «мозгами» — ЭБУ, то есть, отсутствует прямая механическая связь педаль/дроссельная заслонка. В блоке педалей оборудован потенциометр, варьирующий сопротивление, зависящее от положения педали.

Бензиновые двигатели: классификация

по способу образования топливно-воздушной смеси: инжекторные и карбюраторные;
по числу циклов работы: четырех- и двухтактные. Двухтактные, при большей мощности на соответствующую единицу объема, отличаются меньшим КПД. Наибольшее применение получили там, где важны малые габариты при малоэффективной экономии топлива, к примеру, в моторизованных инструментах, моторных лодках небольшого водоизмещения, бензопилах и мотоциклах.

Бензиновые двигатели четырехтактные монтируются на подавляющее большинство транспортных средств. Надо отметить, что дизельные двигатели тоже могут относиться к двух- или четырехтактным; при этом двухтактные дизели во многом превосходят бензиновые аналоги, но используются, в большинстве, на крупных судах (изредка — на грузовиках и тепловозах);

по количеству рабочих цилиндров: многоцилиндровые, двухцилиндровые и одноцилиндровые;
по расположению цилиндров: ДВС вертикального и наклонного однорядного расположения (рядный ДВС), V-образного расположения (расположение цилиндровой группы под углом; если он составляет 180 градусов, ДВС называют оппозитным), W-образного расположения (четыре ряда цилиндров под углом и одним коленвалом), звездообразные;
способу охлаждения: бензиновые двигатели с воздушным или жидкостным способом охлаждения;
по виду топлива: многотопливные и бензиновые;
по типу смазки: раздельный (масло в картере ДВС) и смешанный (масло смешивается с горючей смесью);
по степени сжатия: а) высокого (Е=12-18); б) низкого (Е=4-9) сжатия;
по способу получения цилиндрами новой порции смеси: ДВС атмосферные (без наддува), впуск топливной смеси либо воздуха в которых производится за счет создания разрежения во время всасывающего хода поршня; ДВС с наддувом, впуск горючей смеси или воздуха в которых осуществляется под давлением, нагнетаемым турбокомпрессором, для увеличения заряда воздуха, а также получения большей мощности и КПД;
по частоте вращения: быстроходные, с повышенной частотой вращения, тихоходные;
по назначению: ДВС авиационные, судовые, стационарные, автотракторные, тепловозные и др.

Рабочий цикл бензинового ДВС

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Впуск. В течение данного такта осуществляется опускание поршня от ВМТ (верхней мертвой точки) к НМТ (нижней мертвой точке). Кулачки распредвала производят открывание впускного клапана, через который происходит всасывание свежей порции топливно-воздушной смеси.
Сжатие. Производится ход поршня от НМТ к ВМТ, во время которого сжимается рабочая смесь. Ее температура значительно возрастает. Отношение объема камеры в ВМТ к рабочему объему цилиндра в НМТ называется степенью сжатия. Данный параметр очень важен: чем он выше, тем более экономичен двигатель. Но ДВС большей степени сжатия требует большего октанового числа применяемого топлива, стоящего дороже.
Сгорание с расширением (рабочий поршневой ход). Перед окончанием цикла сжатия горючая смесь воспламеняется искрой свечи зажигания. По пути поршня от ВМТ к НМТ топливная смесь сгорает — происходит расширение рабочей смеси, толкающей поршень. Углом опережения зажигания называют степень «недоворота» коленвала бензинового двигателя внутреннего сгорания до ВМТ во время поджигания топливной смеси. Опережение зажигания нужно для того, чтобы успела воспламениться основная масса бензовоздушной смеси до того, как поршень переместится к ВМТ. Таким образом максимально используется энергия сгоревшего топлива. Топливо в цилиндре горит практически фиксированный промежуток времени, поэтому повышение эффективности ДВС достигается увеличением угла опережения зажигания во время повышения оборотов. В двигателях старого типа регулировка эта осуществлялась механическим устройством — воздействующим на прерыватель центробежным вакуумным регулятором. Более современные ДВС оснащены для этой цели электроникой (функционирующий по емкостному принципу датчик положения коленвала).
Выпуск. После прохождения НМТ рабочего цикла поршнем? происходит открытие выпускного клапана, движущийся вверх поршень выдавливает продукты отработки (газы) из цилиндра ДВС. При достижении верхней мертвой точки поршнем, выпускной клапан опять закрывается — цикл начинается сначала. Нужно помнить о возможности осуществления следующего процесса еще до окончания предыдущего (к примеру, выпуска). Перекрытием клапанов называется положение, при котором оба клапана — впускной и выпускной — открыты.

Перекрытие необходимо для лучшего заполнения горючей смесью цилиндров, а также высокоэффективной очистки цилиндровых зеркал и полостей от продуктов сгорания.

Рабочий цикл ДВС двухтактного

В двухтактном бензиновом двигателе рабочий цикл осуществляется во время одного оборота коленвала. От цикла четырехтактного ДВС остается лишь сжатие и расширение. Выпуск и впуск заменяются продувкой рабочего цилиндра возле НМТ поршня, когда свежая топливная смесь вымещает продукты горения из цилиндра.

Цикл, при более подробном его рассмотрении, представлен следующими этапами: при восходящем движении поршня рабочая смесь сжимается.

Одновременно с этим, движущийся вверх поршень в кривошипной камере производит разрежение, которое открывает клапан коллектора впускного, через который в кривошипную камеру всасывается свежая горючая смесь (как правило, с добавленным маслом). Следующее за этим движение поршня вниз создается повышение давления смеси, клапан закрывается. Далее процессы поджига, сгорания и расширения смеси идут так, как и в четырехтактном бензиновом двигателя.

Но есть особенность: во время нисходящего движения поршня, приблизительно в 60° от НМТ, происходит открытие выпускного окна (поршень его больше не перекрывает). Через него выхлопные газы, под достаточно высоким давлением, проникают в выпускной коллектор. Спустя некоторое время открывается также окно впускное, располагающееся на стороне впускного коллектора. Выталкиваемая идущим вниз поршнем свежая смесь из кривошипной камеры перемещается в рабочий цилиндровый объем, вытесняя из него полностью газы отработавшие. Часть рабочей смеси в этот момент может попасть в выпускной коллектор. При перемещении поршня вверх порция свежей рабочей смеси всасывается в кривошипную камеру.

Вероятно в таком случае предположить, что двухтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания при таком же цилиндровом объеме должен обладать мощностью в почти два раза большей. Но полной реализации этого преимущества не происходит в силу недостатка эффективности продувки, если сравнивать с нормальным выпуском и впуском. При равном с четырехтактным ДВС объеме, двухтактный обладает мощностью от 1,5 до 1,8 раза большей.

Одним из важнейших преимуществ двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания является отсутствие громоздких систем распредвала и клапанов.

Преимущества четырехтактных бензиновых двигателей

больший ресурс,
более чистый выхлоп,
большая экономичность,
отсутствие потребности в сложной системе выхлопа,
не требуют добавления к топливу масла,
меньший шум.

Преимущества двухтактных бензиновых ДВС

Не имеют громоздких газораспределительной и смазочной систем,
большая мощность на аналогичный с четырехтактными рабочий объем,
более просты и дешевы в изготовлении,
отсутствует клапанный блок и распредвал.

Инжекторные и карбюраторные бензиновые ДВС

Процесс приготовления топливной смеси в бензиновом двигателе карбюраторного типа осуществляется в карбюраторе — устройстве, смешивающим топливо с воздухом.

В ДВС инжекторных впрыск топлива в поток воздуха производится форсунками, топливо к которым подается под давлением, дозирование осуществляется ЭБУ (электронным блоком управления). В более старых ДВС — механически, в новых — импульсной подачей тока, открывающем форсунку.

Переход от карбюраторных бензиновых двигателей к инжекторным произошел, по большей части, из-за растущих требований к чистоте выпускных газов, а также установке нейтрализаторов выхлопа современного типа (катализаторов или каталитических конвертеров). Отличаются инжекторные ДВС постоянством состава отработанных газов, поступающих в катализатор. Последний может работать в очень узких диапазонах состава, требуя определенного содержания кислорода.

Поэтому в данных системах требуется наличие лямбда-зонда (кислородного датчика). Именно благодаря ему производится постоянный анализ содержания в выхлопных газах кислорода, продуктов недоокисленных при сгорании, оксидов азота.

Современный катализатор не только окисляет угарный газ и углеводороды, не полностью сгоревшие, но и осуществляет восстановление оксидов азота — химический процесс, идущий в принципиально ином направлении. Существует необходимость в повторном окислении всего потока газов. Возможно это лишь в пределах «каталитического окна», т. е., узкого диапазона соотношений воздух/топливо, в которых катализатор может исполнить свою функцию.

Соотношение горючего к воздуху в этом случае составляет приблизительно 1:14,7 по весу, удерживаясь при этом в диапазоне плюс/минус пять процентов. Поскольку наиболее сложной задачей представляется удержание допустимой по оксидам азота нормы, нужно дополнительно понижать интенсивность синтеза их в камере сгорания. Производится это, преимущественно, понижением температуры горения посредством добавления ограниченного количества отработанных газов в камеру сгорания при некоторых критичных режимах.

Бензиновый ДВС: основные вспомогательные системы

Специфические для ДВС бензинового типа системы

Система зажигания — производит своевременное воспламенение топливной смеси. Может быть контактной, микропроцессорной или бесконтактной.

Контактная состоит из: свечей, выключателя зажигания, прерывателя-распределителя, катушки.

Бесконтактная включает оборудование аналогичное, только место прерывателя занимает датчик Холла либо индукционный.

Микропроцессорная система управляется блоком-компьютером, включает датчик положения коленвала, свечи, коммутатор, блок управления зажиганием, катушки, температурный датчик двигателя.

В инжекторе к данной системе присовокупляются датчики положения дроссельной заслонки и массового расхода воздуха.

Система приготовления смеси топливно-воздушной — инжектор или карбюратор.

Ряд особенностей современных бензиновых двигателей

Чтобы повысить надежность процесса, используют индивидуальную для каждой свечи катушку зажигания. Используют по два впускных и выпускных клапана на цилиндр вместо одного выпускного и одного впускного. Связано это с увеличением в головках цилиндров суммарной площади клапанных отверстий. При использовании одного клапана большой площади при высоких оборотах клапанные заслонки не справляются с своевременным закрытием отверстия к началу следующего цикла в силу относительно большой своей массы. Имеет место так называемое «зависание» вокруг определенной позиции заслонок, из-за чего клапан постоянно находится в открытом положении.

Применение пружин большей жесткости проблемы не решает. Управление дроссельной заслонкой производится в этом случае электроприводом, вместо тросика акселераторной педали (к примеру, в ДВС ЗМЗ-405.24, а также во многих современных двигателях иностранных производителей, в особенности тех, которые оборудованы системой cruise control).

Общие для большинства ДВС системы

Система охлаждения
Система выпуска выхлопных газов. Включает каталитический конвертер, глушитель и коллектор выпускной.
Система смазки — может быть с отдельным маслобаком (чаще всего в авиации), как и без него: масло заливают в горловину на клапанной крышке ДВС.
Система запуска ДВС. Чтобы приготовить к работе двигатель, необходимо сделать хотя бы один оборот коленвала для производства в одном из цилиндров тактов впуска и сжатия. Для запуска двухтактных бензиновых ДВС малой мощности возможно употребить мускульную силу человека, так, к примеру, работает в мотоцикле кикстартер.

Понравилась статья? Поделись с коллегой:

Уточнение наличия и цен
Компания:
Ф.И.О.:
Телефон:
E-mail: