Гениальное – просто: в России придумали, как улучшить ДВС

Что если двигатель вашего автомобиля после небольшой доработки способен стать мощнее, при этом быть надёжнее, да ещё и расходовать меньше топлива? Не верите подобным сказкам? Но ведь речь не о какой-то кулибинщине, а о полноценном научном исследовании, уже подтверждённом на практике!

Знай наших

Л етом 2017 года научно-техническое сообщество облетела новость – молодой учёный из Екатеринбурга победил в общероссийском конкурсе инновационных проектов в области энергетики. Конкурс называется «Энергия прорыва», к участию допускаются учёные не старше 45 лет, и Леонид Плотников, доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), удостоился в нём приза в 1 000 000 рублей.

Сообщалось, что Леонид разработал четыре оригинальных технических решения и получил семь патентов для систем впуска и выпуска ДВС, как турбированных, так и атмосферных. В частности, доработка впускной системы турбомотора «по методу Плотникова» способна исключить перегрев, снизить шумность и количество вредных выбросов. А модернизация выпускной системы турбированного ДВС на 2% повышает КПД и на 1,5% снижает удельный расход топлива. В итоге мотор становится более экологичным, стабильным, мощным и надёжным.

Действительно ли всё это так? В чём суть предложений учёного? Нам удалось побеседовать с победителем конкурса и всё разузнать. Из всех оригинальных технических решений, разработанных Плотниковым, мы остановились как раз на обозначенных выше двух: доработанных системах впуска и выпуска турбированных моторов. Возможно, стиль изложения поначалу покажется вам сложным для восприятия, но читайте вдумчиво, и в конце мы доберёмся до сути.

Проблемы и задачи

Авторство описанных ниже разработок принадлежит группе учёных УрФУ, в которую входят доктор технических наук, профессор Бродов Ю.М., доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П. и кандидат технических наук, доцент Плотников Л.В. Работа именно этой группы удостоилась гранта в миллион рублей. В инженерной проработке предлагаемых технических решений им помогали специалисты ООО «Уральский дизель-моторный завод», а именно, начальник отдела, кандидат технических наук Шестаков Д.С. и заместитель главного конструктора, кандидат технических наук Григорьев Н.И.

Одним из ключевых параметров их исследования стала теплоотдача, идущая от потока газа в стенки впускного или выпускного трубопровода. Чем теплоотдача ниже, тем меньше термические напряжения, выше надёжность и производительность системы в целом. Для оценки интенсивности теплоотдачи используют параметр, который называется локальным коэффициентом теплоотдачи (он обозначается как αх), и задача исследователей состояла в том, чтобы найти пути уменьшения этого коэффициента.

Рис. 1. Изменение локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх (1) и скорости потока воздуха wх (2) во времени τ за свободным компрессором турбокомпрессора (далее – ТК) при гладком круглом трубопроводе и разных частотах вращения ротора ТК: а) nтк = 35 000 мин-1; б) nтк = 46 000 мин-1

Вопрос для современного двигателестроения серьёзный, поскольку газовоздушные тракты входят в перечень наиболее термонагруженных элементов современных ДВС, и особенно остро задача снижения теплоотдачи в впускном и выпускном трактах стоит для турбированных двигателей. Ведь в турбомоторах, по сравнению с атмосферниками, повышены давление и температура на впуске, увеличена средняя температура цикла, выше пульсация газа, которая вызывает термомеханические напряжения. Термонагруженность ведёт к усталости деталей, снижает надёжность и срок службы элементов двигателя, а также приводит к неоптимальным условиям сгорания топлива в цилиндрах и падению мощности.

Учёные считают, что термическую напряженность турбодвижка можно снизить, и тут, как говорится, есть нюанс. Обычно для турбокомпрессора считаются важными две его характеристики – давление наддува и расход воздуха, а сам узел в расчётах принимается статичным элементом. Но на самом деле, отмечают исследователи, после установки турбокомпрессора существенно изменяются тепломеханические характеристики потока газа. Поэтому прежде чем изучать то, как меняется αх на впуске и выпуске, надо исследовать сам поток газа закомпрессором. Сначала – без учёта поршневой части двигателя (что называется, за свободным компрессором, см. рис. 1), а потом – вместе с ней.

Была разработана и создана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных – с пары датчиков снимались и обрабатывались значения скорости потока газа wх и локального коэффициента теплоотдачи αх. Кроме того, была собрана одноцилиндровая модель двигателя на базе мотора ВАЗ-11113 с турбокомпрессором ТКР-6.

Рис. 2. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом при разных частотах вращения коленчатого вала и разных частотах вращения ротора ТК: а) n = 1 500 мин-1; б) n = 3 000 мин-1, 1 — n = 35 000 мин-1; 2 — nтк = 42 000 мин-1; 3 — nтк = 46 000 мин-1

Проведённые исследования показали, что турбокомпрессор – мощнейший источник турбулентности, которая влияет на тепломеханические характеристики потока воздуха (см. рис. 2). Кроме того, исследователи установили, что сама по себе установка турбокомпрессора повышает αх на впуске двигателя примерно на 30% — отчасти из-за того, что воздух после компрессора просто значительно горячее, чем на впуске атмосферного мотора. Была замерена и теплоотдача на выпуске мотора с установленным турбокомпрессором, и оказалось, что чем выше избыточное давление, тем менее интенсивно происходит теплоотдача.

Рис. 3. Схема впускной системы двигателя с наддувом с возможностью сброса части нагнетаемого воздуха: 1 — впускной коллектор; 2 — соединительный патрубок; 3 — соединительные элементы; 4 — компрессор ТК; 5 — электронный блок управления двигателем; 6 — электропневмоклапан].

В сумме получается, что для снижения термонагруженности необхожимо следующее: во впускном тракте нужно уменьшать турбулентность и пульсацию воздуха, а на выпуске – создавать дополнительное давление или разрежение, разгоняя поток – это снизит теплоотдачу, а кроме того, положительно скажется на очистке цилиндров от отработанных газов.

Все эти вроде бы очевидные вещи нуждались в детальных замерах и в анализе, которого никто ранее не делал. Именно полученные цифры позволили выработать меры, которые в будущем способны если не произвести революцию, то уж точно вдохнуть, в прямом смысле слова, новую жизнь во всю отрасль двигателестроения.

Рис. 4. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом (nтк = 35 000 мин-1) при частоте вращения коленчатого вала n = 3 000 мин-1. Доля сброса воздуха: 1 — G1 = 0,04; 2 — G2 = 0,07; 3 — G3 = 0,12].

Сброс избытка воздуха на впуске

Во-первых, исследователи предложили конструкцию, позволяющую стабилизировать поток воздуха на впуске (см. рис. 3). Электропневмоклапан, врезанный во впускной тракт после турбины и в определённые моменты сбрасывающий часть сжатого турбокомпрессором воздуха, стабилизирует поток– уменьшает пульсацию скорости и давления. В итоге это должно привести к снижению аэродинамического шума и термических напряжений во впускном тракте.

А сколько же нужно сбросить, чтобы система эффективно работала, не ослабляя значительно эффекта турбонаддува? На рисунках 4 и 5 мы видим результаты проведённых замеров: как показывают исследования, оптимальная доля сбрасываемого воздуха G лежит в диапазоне от 7 до 12% – такие значения снижают теплоотдачу (а значит – и термонагруженность) во впускном тракте двигателя до 30%, то есть, приводят её к значениям, характерным для атмосферных моторов. Дальше увеличивать долю сброса смысла нет – эффекта это уже не даёт.

Рис. 5. Сравнение зависимостей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом без сброса (1) и со сбросом части воздуха (2) при nтк = 35 000 мин-1 и n = 3 000 мин-1, доля сброса избыточного воздуха равна 12% от общего расхода].

Эжекция на выпуске

Ну а что же выпускная система? Как мы говорили выше, она в турбированном моторе тоже работает в условиях повышенных температур, а кроме того, выпуск всегда хочется сделать как можно более способствующим максимальной очистке цилиндров от отработавших газов. Традиционные методы решения этих задач уже исчерпаны, есть ли тут ещё какие-то резервы для улучшения? Оказывается, есть.

Бродов, Жилкин и Плотников утверждают, что улучшить газоочистку и надёжность выпускной системы можно путём создания в ней дополнительного разрежения, или эжекции. Эжекционный поток, по мнению разработчиков, так же, как и клапан на впуске, снижает пульсацию потока и увеличивает объёмный расход воздуха, что способствует лучшей очистке цилиндров и повышению мощности двигателя.

Рис. 6. Схема выпускной системы с эжектором: 1 – головка цилиндра с каналом; 2 – выпускной трубопровод; 3 – труба выхлопная; 4 – эжекционная трубка; 5 – электропневмоклапан; 6 – электронный блок управления].

Эжекция положительно влияет на теплоотдачу от выпускных газов к деталям выпускного тракта (см. рис. 7): с такой системой максимальные значения локального коэффициента теплоотдачи αхполучаются на 20% ниже, чем при традиционном выпуске – за исключением периода закрытия впускного клапана, тут интенсивность теплоотдачи, напротив, несколько выше. Но в целом теплоотдача всё равно меньше, и исследователи сделали предположение, что эжектор на выпуске турбомотора повысит его надёжность, так как снизит теплоотдачу от газов стенкам трубопровода, а сами газы будут охлаждаться эжекционным воздухом.

Рис. 7.Зависимости локального (lх = 140 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ в выпускной системе при избыточном давлении выпуска рb = 0,2 МПа и частоте вращения коленчатого вала n = 1 500 мин-1. Конфигурация выпускной системы: 1 — без эжекции; 2 — с эжекцией.]

А если объединить.

Получив такие выводы на экспериментальной установке, учёные пошли дальше и применили полученные знания на реальном двигателе – в качестве одного из «подопытных» был выбран дизель 8ДМ-21ЛМ производства ООО «Уральский дизель-моторный завод».Такие моторы применяются в качестве стационарных энергоустановок. Кроме того, в работах использовался и «младший брат» 8-цилиндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, также V-образный, но имеющий шесть цилиндров.

Рис. 8. Установка электромагнитного клапана для сброса части воздуха на дизеле 8ДМ-21ЛМ: 1 — клапан электромагнитный; 2 — впускной патрубок; 3 — кожух выпускного коллектора; 4 — турбокомпрессор.

На «младшем» моторе была реализована система эжекции на выпуске, логично и весьма остроумно объединённая с системой сброса давления на впуске, которую мы рассмотрели чуть ранее – ведь как было показано на рисунке 3, сбрасываемый воздух может использоваться для нужд двигателя. Как видим (рис. 9), над выпускным коллектором проложены трубки, в которые подаётся воздух, забранный со впуска – это то самое избыточное давление, создающее турбулентность после компрессора. Воздух из трубок «раздаётся» через систему электроклапанов, которые стоят сразу за выпускным окном каждого из шести цилиндров.

Рис. 9. Общий вид модернизированной выпускной системы двигателя 6ДМ-21ЛМ: 1 – выпускной трубопровод; 2 – турбокомпрессор; 3 – газоотводящий патрубок; 4 – система эжекции.

Такое эжекционное устройство создаёт дополнительное разрежение в выпускном коллекторе, что ведёт к выравниванию течения газов и ослаблению переходных процессов в так называемом переходном слое. Авторы исследования замерили скорость потока воздуха wх в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ с применением эжекции на выпуске и без неё.

Из рисунка 10 видно, что при эжекции максимальная скорость потока выше, а после закрытия выпускного клапана она падает медленнее, чем в коллекторе без такой системы – получается своеобразный «эффект продувки». Авторы говорят, что результаты свидетельствуют о стабилизации потока и лучшей очистке цилиндров двигателя от отработавших газов.

Рис. 10. Зависимости местной (lx = 140 мм, d = 30 мм) скорости потока газа wх в выпускном трубопроводе с эжекцией (1) и традиционном трубопроводе (2) от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 мин-1 и начальном избыточном давлении pb = 2,0 бар.

Что в итоге

Итак, давайте по порядку. Во-первых, если из впускного коллектора турбомотора сбрасывать небольшую часть сжатого компрессором воздуха, можно снизить теплоотдачу от воздуха к стенкам коллектора до 30% и при этом сохранить массовый расход воздуха, поступающего в мотор, на нормальном уровне. Во-вторых, если применить эжекцию на выпуске, то теплоотдачу в выпускном коллекторе тоже можно существенно снизить – проведённые замеры дают величину около 15%, – а также улучшить газоочистку цилиндров.

Объединяя показанные научные находки для впускного и выпускного трактов в единую систему, мы получим комплексный эффект: забирая часть воздуха со впуска, передавая её на выпуск и точно синхронизировав эти импульсы по времени, система будет выравнивать и «успокаивать» процессы течения воздуха и отработавших газов. В результате мы должны получить менее термонагруженный, более надёжный и производительный по сравнению с обычным турбомотором двигатель.

Итак, результаты получены в лабораторных условиях, подтверждены математическим моделированием и аналитическими расчетами, после чего создан опытный образец, на котором проведены испытания и подтверждены положительные эффекты. Пока всё это реализовано в стенах УрФУ на большом стационарном турбодизеле (моторы такого типа используют также на тепловозах и судах), однако заложенные в конструкцию принципы могли бы прижиться и на моторах поменьше – представьте, например, что ГАЗ Газель, УАЗ Патриот или LADA Vesta получают новый турбомотор, да ещё с характеристиками лучше, чем у зарубежных аналогов… Возможно ли, чтобы новая тенденция в двигателестроении началась в России?

Есть у учёных из УрФУ и решения для снижения термонагруженности атмосферных моторов, и одно из них – профилирование каналов: поперечное (путём введения вставки квадратного или треугольного сечения) и продольное. В принципе, по всем этим решениям сейчас можно строить рабочие образцы, проводить испытания и при их положительном исходе запускать серийное производство – заданные проектно-конструкторские направления, по мнению учёных, не требуют значительных финансовых и временных затрат. Теперь должны найтись заинтересованные производители.

Леонид Плотников говорит, что считает себя в первую очередь учёным и не ставит цели коммерциализировать новые разработки.

Однако добавляет, что уже начался процесс внедрения результатов исследования на энергомашины ПАО «Уралмашзавод». Темпы внедрения пока невысоки, вся работа находится на начальном этапе, и конкретики очень мало, однако заинтересованность у предприятия есть. Остаётся надеяться на то, что результаты этого внедрения мы всё же увидим. А также на то, что работа учёных найдёт применение в отечественном автопроме.

Для комментирования вам необходимо авторизоваться

на бензиновых моторах система практически не применима, она не позволит работать катализаторам с полной эффективностью, хотя при обогащении смеси в момент ускорения. да и интеркулер отлично решает проблему повышения температуры на впуске

Как человек, посвятивший порядка 37 лет своей работы области конструирования ДВС и в частности дизелей, могу лишь констатировать — работа слабая, выводы высказанные автором банальны, так как они давно и всем известны.

В плане улучшения экономичности дизелей, надо заниматься системами автоматического регулирования по скоростной и нагрузочной характеристикам двигателя, только в этой области можно добиться существенной экономии топлива, высокой экологичности рабочего процесса и значительного повышения мощности ДВС

Если у вас есть какие-нибудь сформулированные исследования на эту тему, с удовольствием опубликуем! Со мной можно связаться по рабочему адресу antti@kolesa .ru.

Если у вас есть какие-нибудь сформулированные исследования на эту тему, с удовольствием опубликуем!

Способный, желающий работать коллектив серьёзно поработал над результатами труда другого не названного коллектива разработчиков ДВС и улучшил результаты. То, что улучшения составили 1,5-2% свидетельствует о профессионализме разработчиков ДВС.

Независимо от результатов исследований выдачу премии за лучшую работу надо одобрить потому, что затраты на поддержание квалификации следует поддерживать. Отрицательный оттенок в большинстве отзывов можно отнести к тому, что сложилось ощущение возможности и необходимости существенного прорыва в области эффективности ДВС, которых в первую очередь ждут от учёных. Двигателестроение давно нуждается в развитии другой парадигмы, способной обеспечить рост эффективности в разы, а не на единицы процентов. Предлагаю статью, излагающую суть такой парадигмы.

С уважением, Пасечный Владимир Петрович.

Вы указали не работающий почтовый адрес. За что вам ставят плюсики не понятно. Или это моя почтовая программа глючит ?

Удалите пробел перед .ru, и всё заработает.

Работаю в двигателестроении уже 40 лет. Статья не просто слабая, а свидетельствует о непонимании авторами основ теории ДВС и не адекватном целеполагании. С каких это пор теплонапряженность впускного коллектора являлась проблемой? О снижении потерь тепла в выпускном коллекторе вопрос ставить можно, на больших двигателях это важно. Стенки выпускных коллекторов часто делают многослойными, используют вставные жаровые трубы, создающие сопротивление тепловому потоку. Эффект по расходу топлива — не более 2%. В статье еще есть интересные места касательно баланса мощности турбины и компрессора, сжатый воздух на двигателе не появляется бесплатно. За все приходится платить ростом расхода топлива. Можно еще продолжить. Подобными статьями доценты и профессора убивают свою научную репутацию. На серьезном Ученом Совете с такой работой лучше не показываться — засмеют. А автору Кишкурно я бы порекомендовал прежде чем публиковать материалы, претендующие на "научный прорыв" — посоветоваться сначала со специалистами.

Я вам как практик скажу что все эти электромагнитные клапаны на сильно греющихся и подверженных коксованию деталях это потенциальные проблемы при реальной эксплуатации. Выигрыш 1-2% о котором говорится в статье не стоит всей этой канители. Народ массово глушит и отключает даже примитивный ЕГР чтоб не парил мозг и это всего один клапан, а тут предлагают налепить на ДВС целую кучу.

Все турбированные двигатели имеют массу проблем: таких как недолговечность самой турбины, износ подшипника скольжения «втулка» в результате чего чрезмерное выброс масла «кидает как в газовый коллектор так и в нагнетательный компрессор. Далее при нормальной работе турбины и всех узлов ДВС, рекомендуемо охлаждать надувающую смесь (на ДВС данную функцию выполняет всем известно ИНТЕРКУЛЕР) это необходимо для того, что при охлажденной смеси ее больше нагнетается в цилиндры тем самым продувка цилиндров осуществляется более эффективно в результате чего и повышается мощность двигателя. Писать про дозировку топлива не буду, (это для тех кто не знал) поясняю другими словами, если в цилиндрах есть отработавшие газы то следующий рабочий такт будет малоэффективен так как сгорание в цилиндре или цилиндрах будет не полными. Аха-ха в результате чего стали использовать всем известно КАТАЛИЗАТОРЫ как в турбированых так и атмосферных ДВС. Есть и еще одна причина (очень плохая) по которой, на МОЙ личный взгляд использовать турбину в ДВС это чистой воды бредятена, о данной теме задумался еще лет пять назад наверное, когда у моей телеги ГАЗ-3309 она вылетела (начала гнать масло и как многим известно причины заклинила, заменил ее на чешскую) но так я и не осуществил желаемое заменить эту бредятину на более эффективное устройство которое предполагаю что при равных условиях даст однозначно лучший результат КПД

для тех кто в теме пишите на данный адрес 79129449718@yandex.ru шарлатаны прошу не беспокоить, с вопросами что и как ! Читаем букварь аха-ха

этой тематикой 30 лет назад, раньше это называлось "перепуск" (перепускались газы от компрессора к турбине возможно с частичным отводом воздуха в атмосферу, рассматривались вопросы перепуска в обратную сторону), ну а тонкая настройка впускной и выпускной систем с учетом пульсаций и геометрических размеров, давно известна гонщикам. Про теплоотдачу и ее влиянию на конструкцию в различных частях двигателя и рабочий процесс сказано так много, что эту часть статьи даже коментировать не хочется. Скорей всего авторы получили неплохой частный результат, фундаментального прорыва не видно. Абсолютно солидарен с RDV ru с каждым словом. Ну а то, что дали денег на моторы это здорово, может наше двигателестроение начнает учится заново, 30 лет потеряли.

Улучшение характеристик на 1,5-2%. Но это ж всего лишь ВЕРОЯТНАЯ погрешность при измерении. Если б было 3-5% , то тогда можно было говорить о каком то результате. Революцией тут и не пахнет, а пахнет обыкновенной туфтой.

С докторской Плотникова Л.В.

можно ознакомиться тут:

Господа мотористы и инженеры ДВС, почитав комментарии, делаю вывод: грамотных людей очень много, а вот реально взять и сделать как Лёня, никто не может. Почему-то в нашей стране люди любят говорить, критиковать. Человек победил в конкурсе "Энергия прорыва". О каких погрешностях Вы говорите вообще?! Я знаю всех этих людей, это мои преподаватели в институте. Они достойны этой награды, и я очень рад за них. Если у вас, уважаемые мотористы, есть какие-то наработки, вы бы лучше нашли контакты этих людей, в частности Лёни, и поработали бы над созданием ДВС вместе. Красавцы!

Эти способы давно используются в спорте! ? А в серию не могут турбо мотор сделать, не говоря уже о трансмиссии, тормозов и т.д.

Лично я улучшал 8клапанный вазовский мотор, путем облегчения КШМ, в итоге механизм стал легче на 9кг,прирост мощности на 35 л.с., крутящего момента на 44 Н/м, а расход топлива уменьшился на 4л/100км. Ресурс не изменился, двигатель до сих пор работает, после доработки прошёл уже 280000 км. Как то так.

Я внимательно прочел статью и, честно говоря, не понял целеполагание работы как таковое. Во-первых, почему вообще утверждается, что температурный режим впускного коллектора — это проблема? Во-вторых, уменьшение энтальпии наддувочного воздуха в принципе полезно, если в результате этого увеличится плотность свежего заряда в цилиндре. Но это достигается охлаждением наддувочного воздуха с помощью какого-нибудь промежуточного охладителя, то есть в соответствии с сутью статьи — увеличением теплоотдачи в стенки впускной системы, а не отбором воздуха! Как при всем этом растет КПД двигателя, для меня пока остается загадкой.

Далее — выхлопной коллектор. Утверждается, что теплоотдача в стенки выхлопного коллектора — это плохо. Действително, это плохо в том смысле, что для получения высокого КПД турбированного ДВС необходимо "донести" как можно больше энтальпии отработанных газов от цилиндров к турбинному колесу. Но уменьшать теплоотдачу надо улучшением теплоизоляции выхлопного коллектора, а не охлаждением отработанных газов воздухом! К тому же о каком таком разрежении на выпуске идет речь? С чего бы в этой точке быть давлению меньшему, чем атмосферное? Или за точку отсчета принимается другое давление?

А что будет с составом этих самых газов при подмешивании воздуха? Этот аспект в статье не упомянут вообще, зато упомянуты фантазии применения описанной системы на бензиновых моторах. Если для дизеля с точки зрения экологии мало что изменится, то бензиновый мотор придется эксплуатировать на более богатой смеси, вновь возникнет проблема прогрева нейтрализатора отработанных газов. Учитывали ли это авторы статьи?

Единственное полезное применение системы, которое мне видится, заключается в следующем. Если, например, подавать воздух в выхлопной коллектор импульсно и синхронизировать эти импульсы с пульсацией давления отработанных газов, можно эти самые пульсации уменьшить, снизив циклические нагрузки на лопатки колеса; аналогично и во впускной системе, только с отбором воздуха. Но, насколько я знаю, в реальном мире колеса турбокомпрессора все равно переживают его подшипники, а меняется подшипниковый узел с колесами всборе.

В заключение я должен сказать, что не разбираюсь в особенностях стационарных двигателей. Возможно, у них есть свои специфические проблемы, которые и решали авторы. И все же, исследование получилось странным и неубедительным.

Все о двигателях внутреннего сгорания: устройство, принцип работы и тюнинг

Главная цель бензинового двигателя автомобиля заключается в преобразовании бензина в движение, чтобы Ваш автомобиль мог двигаться. В настоящее время самый простой способ создать движение от бензина — это попросту сжечь его внутри двигателя. Таким образом, автомобильный «движок» является двигателем внутреннего сгорания — т.е. сгорание бензина происходит внутри него.

Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели являются одной из форм, а газотурбинные — совсем другой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Ну, как Вы заметите, раз существует двигатель внутреннего сгорания, то должен существовать и двигатель внешнего сгорания. Паровой двигатель в старомодных поездах и пароходах как раз таки и является лучшим примером двигателя внешнего сгорания. Топливо (уголь, дерево, масло, любое другое) в паровой машине горит вне двигателя для создания пара, и пар создаёт движение внутри двигателя. Разумеется, двигатель внутреннего сгорания является намного более эффективным (как минимум потребляет гораздо меньше топлива на километр пути автомобиля), чем внешнего сгорания, кроме того, двигатель внутреннего сгорания намного меньше по размерам, чем эквивалентный по мощности двигатель внешнего сгорания. Это объясняет, почему мы не видим ни одного автомобиля, похожего на паровоз.

А теперь давайте посмотрим более подробно, как же работает двигатель внутреннего сгорания.

Как работает двигатель?

Давайте рассмотрим принцип, лежащий в любом возвратно-поступательном движении двигателя внутреннего сгорания: если Вы поместите небольшое количество высокоэнергичного топлива (например, бензина) в небольшое закрытое пространство и зажжёте его (это топливо), то выделится невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, к примеру, для приведения в движение картофелины. В этом случае энергия преобразуется в движение этой картофелины. Например, если Вы в трубу, у которой один конец плотно закрыт, а другой — открыт, нальёте немного бензина, а затем засунете картофелину и подожжёте бензин, то его взрыв спровоцирует приведение в движение этой картофелины за счёт выдавливания её взрывающимся бензином, таким образом, картофелина подлетит высоко в небо, если Вы направите трубу вверх. Это мы кратко описали принцип действия старинной пушки. Но Вы также можете использовать такую энергию бензина в более интересных целях. Например, если Вы можете создать цикл взрывов бензина в сотни раз в минуту, и если Вы сможете использовать эту энергию в полезных целях, то знайте, что у Вас уже есть ядро ​​для двигателя автомобиля!

Почти все автомобили в настоящее время используют то, что называется четырёхтактным циклом сгорания для преобразования бензина в движение. Четырёхтактный цикл также известен как цикл Отто — в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Итак, вот они, эти 4 такта работы двигателя:

1. Такт впуска топлива
2. Такт сжатия топлива
3. Такт сгорания топлива
4. Такт выпуска отработавших газов

Вроде бы уже всё понятно из этого, не так ли? Вы можете посмотреть ниже на рисунке, что элемент, который называется поршень, заменяет картошку в описанной нами ранее «картофельной пушке». Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна. Только не пугайтесь новых терминов — их, на самом деле не так много в принципе работы двигателя!

На рисунке буквами обозначены следующие элементы двигателя:

A — Распределительный вал B — Крышка клапанов C — Выпускной клапан D — Выхлопное отверстие E — Головка цилиндра F — Полость для охлаждающей жидкости G — Блок двигателя H — Маслосборник I — Поддон двигателя J — Свеча зажигания K — Впускной клапан L — Впускное отверстие M — Поршень N — Шатун O — Подшипник шатуна P — Коленчатый вал

Вот что происходит, когда двигатель проходит свой ​​полный четырёхтактный цикл:

1. Начальное положение поршня — в самом верху, в этот момент открывается впускной клапан, и поршень движется вниз, таким образом, засасывая в цилиндр приготовленную смесь бензина и воздуха. Это такт впуска. Всего лишь крошечная капля бензина должна смешаться с воздухом, чтобы всё это работало.
2. Когда поршень достигает своей нижней точки, то впускной клапан закрывается, а поршень начинает перемещаться обратно вверх (бензин оказывается в «западне»), сжимая эту смесь из топлива и воздуха. Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.
3. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания испускает искру, порождённую напряжением более десятка тысяч Вольт, чтобы зажечь бензин. Происходит детонация, и бензин в цилиндре взрывается, с невероятной силой толкая поршень вниз.
4. После того, как поршень снова достигает дна своего хода, настаёт очередь открываться выпускному клапану. Затем поршень движется вверх (это происходит уже по инерции) и отработавшая смесь бензина и воздуха выходит через выхлопное отверстие из цилиндра, чтобы отправиться в своё путешествие до выхлопной трубы и далее в верхние слои атмосферы.

Теперь, когда клапан снова в самом верху, двигатель готов к следующему циклу, так что он всасывает следующую порцию смеси воздуха и бензина, чтобы ещё сильнее раскрутить коленчатый вал, который, собственно и передаёт своё кручение далее через трансмиссию к колёсам. Теперь посмотрите ниже, как работает двигатель во всех своих четырёх тактах.

Более наглядно работу двигателя внутреннего сгорания Вы можете увидеть на двух анимациях ниже:

Как работает двигатель — анимация

Обратите внимание, что движение, которое создаётся работой двигателя внутреннего сгорания, является вращением, в то время как движение, создаваемое «картофельной пушкой», является линейным (прямым). В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение нам нужно, потому что мы планируем повернуть наши колёса автомобиля.

Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе в дружной команде, чтобы это произошло, начиная с цилиндров!

Ядром двигателя является цилиндр с поршнем, который двигается вверх и вниз внутри цилиндра. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Казалось бы, что ещё нужно для автомобиля?! А вот и нет, автомобилю для комфортной езды на нём нужны по меньшей мере ещё 3 таких цилиндра с поршнями и всеми необходимыми этой парочке атрибутами (клапанами, шатунами и так далее), а вот один цилиндр подойдёт разве что для большинства газонокосилок. Посмотрите — ниже на анимации Вы увидите работу 4-хцилиндрового двигателя:

Типы двигателей

Автомобили чаще всего имеют четыре, шесть, восемь и даже десять, двенадцать и шестнадцать цилиндров (последние три варианта устанавливают, в основном на спортивные автомобили и болиды). В многоцилиндровом двигателе все цилиндры, как правило, расположены одним из трёх способов:

• Рядный
• V-образный
• Оппозитный

Вот они — все три типа расположения цилиндров в двигателе:

Рядное расположение 4-х цилиндров

Оппозитное расположение 4-х цилиндров

V-образное расположение 6 цилиндров

Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения вибрации, стоимости производства и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для использования некоторых конкретных транспортных средств. Так, 4-хцилиндровые двигатели редко имеет смысл делать V-образными, таким образом, они обычно рядные; а 8-цилиндровые двигатели делают чаще с V-образным расположением цилиндров.

Теперь давайте наглядно посмотрим, как работает система впрыска топлива, масло и другие узлы в двигателе:

Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно:

• Свеча зажигания обеспечивает искру, которая зажигает воздушно-топливную смесь, так, чтобы происходило сгорание. Искра должна произойти в нужное время, чтобы двигатель работал должным образом.
• Клапаны — впускные и выпускные — также должны открываться в строго нужное время, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить отработавшие газы. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время сжатия и сгорания так, что воздушно-топливная смесь плотно «замурована» в цилиндре.
• Поршень представляет собой цилиндрический кусок металла, который движется вверх и вниз внутри цилиндра.
• Поршневые кольца. Мы их пока ещё не видели на рисунках, но это довольно часто употребляемая вещь, так как от их износа зависит многое в работе двигателя. Поршневые кольца огибают поршень и упираются во внутреннюю поверхность цилиндра, двигаются вверх/вниз вместе с поршнем и обеспечивают уплотнение между наружным краем поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца служат двум целям: предотвращают утечку топлива в масляный отстойник во время сжатия и горения и удерживают масло в картере от утечки в область горения, где оно может сгореть из-за невероятно высокой температуры. Большинство автомобилей с такими симптомами как повышенный расход топлива и масла, чёрный дым из глушителя, и с пробегом более 100 тысяч километров, попросту имеют изношенные кольца, которые больше не «запечатывают» поршень должным образом.
• Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может поворачиваться на обоих концах так, что его угол может меняться в то время как поршень движется и когда коленчатый вал поворачивается.
• Коленчатый вал крутится за счёт движения поршня.
• Картер окружает коленчатый вал. Он содержит некоторое количество машинного масла, которое собирает на дне отстойника.

А теперь внимание! На основе всего прочитанного посмотрим на полный цикл работы двигателя со всеми его элементами:

Полный цикл работы двигателя

Мы подобрали для Вас кое-что ещё интереснее: Шатун двигателя в вопросах и ответах

Далее мы узнаем, что может помешать работе двигателя.

Поршень

Цилиндрическая деталь, которая совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.

Поршень состоит из: днища, уплотняющей части, направляющей части (юбка).

Форма днища зависит от возложенных на поршень задач. Вогнутое днище позволяет создать более рациональную камеру сгорания. Выгнутое — делает поршень прочнее, но уменьшается рациональность камеры сгорания.

Днище с уплотняющей частью образуют головку поршня. В уплотняющей части располагаются маслосъемные и компрессионные кольца.

Юбка поршня служит для направления движения в цилиндре.

Почему двигатель не работает?

Допустим, Вы выходите утром к машине и начинаете её заводить, но она не заводится. Что может быть не так? Теперь, когда Вы знаете, как работает двигатель, можно понять основные вещи, которые могут помешать двигателю завестись. Три фундаментальные вещи могут случиться:

• Плохая топливная смесь
• Отсутствие сжатия
• Отсутствие искры

Да, есть ещё тысячи незначительных вещей, которые могут создать проблемы, но указанная «большая тройка» является чаще всего следствием или причиной одной из них. На основе простого представления о работе двигателя мы можем составить краткий список того, как эти проблемы влияют на двигатель.

Плохая топливная смесь может быть следствием одной из причин:

• У Вас попросту закончился в баке бензин, и двигатель пытается завестись от воздуха.
• Воздухозаборник может быть забит, поэтому в двигатель поступает топливо, но ему не хватает воздуха, чтобы сдетонировать.
• Топливная система может поставлять слишком много или слишком мало топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
• В топливе могут быть примеси (а для российского качества бензина это особенно актуально), которые мешают топливу полноценно гореть.

Отсутствие сжатия — если заряд воздуха и топлива не могут быть сжаты должным образом, процесс сгорания не будет работать как следует. Отсутствие сжатия может происходить по следующим причинам:

• Поршневые кольца изношены (позволяя воздуху и топливу течь мимо поршня при сжатии)
• Впускные или выпускные клапаны не герметизируются должным образом, снова открывая течь во время сжатия
• Появилось отверстие в цилиндре.

Отсутствие искры может быть по ряду причин:

• Если свечи зажигания или провод, идущий к ним, изношены, искра будет слабой.
• Если провод повредился или попросту отсутствует или если система, которая посылает искру по проводу, не работает должным образом.
• Если искра происходит либо слишком рано или слишком поздно в цикле, топливо не будет зажжено в нужное время, и это может вызвать всевозможные проблемы.

И вот ещё ряд причин, по которым двигатель может не работать, и здесь мы затронем некоторые детали за пределами двигателя:

• Если аккумулятор мёртв, Вы не сможете прокрутить двигатель, чтобы запустить его.
• Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться, поэтому двигатель не сможет работать.
• Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или не работают вообще, воздух не сможет войти, а выхлопы — выйти, поэтому двигатель опять-таки не сможет работать.
• Если кто-то из хулиганских побуждений засунул картошку в выхлопную трубу, выпускные газы не смогут выйти из цилиндра, и двигатель снова не будет работать.
• Если в двигателе недостаточно масла, то поршень не сможет двигаться вверх и вниз свободно в цилиндре, что затруднит или сделает невозможным нормальную работу двигателя.

В правильно работающем двигателе все эти факторы находятся в пределах допуска. Как Вы можете видеть, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему сделать свою работу преобразования топлива в движение безупречной. Мы же рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих разделах.

Большинство подсистем двигателя может быть реализована с использованием различных технологий, и лучшие технологии могут значительно повысить производительность двигателя. Вот почему развитие автомобилестроения продолжается высочайшими темпами, ведь конкуренция среди автоконцернов достаточно велика, чтобы вкладывать большие деньги в каждую дополнительно выжатую лошадиную силу из двигателя при том же объёме. Давайте посмотрим на различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с работы клапанов в двигателе.

Самые распространенные виды двигателей

Существует три разновидности ДВС: поршневой, роторно-поршневой силовой агрегат системы Ванкеля и газотурбинный. За редким исключением на современные авто устанавливаются четырехтактные поршневые моторы. Причина кроется в низкой цене, компактности, малом весе, многотопливности и возможности установки практически на любые транспортные средства.

Сам по себе двигатель автомобиля – это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которого обеспечивает множество систем, узлов и агрегатов. Поршневые ДВС бывают двух- и четырехтактными. Понять принцип работы двигателя автомобиля проще всего на примере четырехтактного одноцилиндрового силового агрегата.
Четырехтактным мотор называется потому, что один рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:

• впуск;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск.

Как работают клапаны?

Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом. Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.

Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками. Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).

Двухтактные и четырехтактные моторы

Устройство двигателя автомобиля первого вида в настоящее время применяется в довольно узком диапазоне: на мопедах, недорогих мотоциклах, лодках и бензокосилках. Его недостатком является потеря рабочей смеси во время удаления выхлопных газов. Кроме этого, принудительная продувка и завышенные требования к термической устойчивости выхлопного клапана служат причиной роста цены мотора.

В четырехтактном двигателе указанных недостатков нет благодаря наличию газораспределительного механизма. Однако и в этой системе имеются свои проблемы. Наилучший режим работы мотора будет достигнут в очень узком диапазоне оборотов коленчатого вала.

Развитие технологий и появление электронных БУ позволило решить эту задачу. Во внутреннее устройство двигателя теперь входит электромагнитное управление, при помощи которого выбирается оптимальный режим газораспределения.

Как работает система зажигания?

Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.

Как работает охлаждение?

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.

Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.

Как работает пусковая система?

Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем. Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.

Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:

• Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
• Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
• Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
• Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии. Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.

Как работает впрыск и смазочная система?

Когда дело доходит ежедневного обслуживания автомобиля, Ваша первая забота, вероятно, состоит в проверке количества бензина в Вашем автомобиле. А как бензин попадает из топливного бака в цилиндры? Топливная система двигателя высасывает бензин из бака с помощью топливного насоса, который находится в баке, и смешивает его с воздухом так, чтобы надлежащая смесь воздуха и топлива могла протекать в цилиндры. Топливо поставляется в одном из трёх распространённых способов: карбюратор, впрыск топлива и система непосредственного впрыска топлива.

Карбюраторы на сегодняшний день сильно устарели, и их не помещают в новые модели автомобилей. В инжекторном двигателе нужное количество топлива впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо прямо в впускной клапан (впрыск топлива) или непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск топлива).

Масло также играет важную роль. Идеально и правильно смазанная система гарантирует, что каждая подвижная часть в двигателе получает масло так, что она может легко перемещаться. Две главные части, нуждающиеся в масле — это поршень (а, точнее, его кольца) и любые подшипники, которые позволяют таким элементам, как коленчатый и другие валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления частиц грязи, а затем брызгается под высоким давлением на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает в отстойник, где снова собирается, и цикл повторяется.

Поддон картера

Картер отливается вместе с блоком цилиндров. Его прямое назначение — резервуар для масла. В нижней части присутствует пробка для того, чтобы была возможность слить старое масло при его замене. Поддон крепится к картеру болтами, а во избежания утечки масла — ставится прокладка.

Система выпуска отработавших газов

Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой ​​автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей ​​выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.

Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора. Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле, фарам, стеклоочистителям, электрическим стеклоподъемникам, приводу сидений, бортовому компьютеру и ещё множеству устройств) посредством проводки автомобиля.

Теперь можно сказать, что Вы знаете всё об основах главных подсистем двигателей!

Источник https://www.kolesa.ru/article/genialnoe-prosto-v-rossii-pridumali-kak-uluchshit-dvs

Источник https://limeautoglass.ru/dvigatel/gde-nahoditsya.html

Источник

Источник