Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это механизм, который превращает химическую энергию топлива (бензина) в механическую работу для приведения в движение транспортного средства, станка или другого оборудования. Принцип его работы основан на процессе сгорания топлива внутри цилиндров двигателя. Давайте разберёмся более подробно, как это происходит.
Основные компоненты бензинового ДВС
Цилиндры — это камеры, в которых происходит сгорание топливо-воздушной смеси. Обычно в бензиновом двигателе 4, 6 или 8 цилиндров, каждый из которых имеет поршень.
Поршни — металлические элементы, которые двигаются внутри цилиндров, преобразуя энергию взрыва в механическое движение.
Кривошипно-шатунный механизм — передает движение поршней на коленчатый вал, который преобразует возвратно-поступательное движение поршней в вращательное движение.
Коленчатый вал — главный элемент, который передает крутящий момент от поршней на трансмиссию и далее на колеса.
Головка блока цилиндров — крышка цилиндров, на которой находятся клапаны и форсунки.
Клапаны — элементы, которые регулируют поступление топливо-воздушной смеси и вывод отработанных газов.
Свечи зажигания — создают искру для воспламенения топливо-воздушной смеси.
Топливный насос и форсунки — обеспечивают подачу топлива в цилиндры.
Система охлаждения — предотвращает перегрев двигателя.
Система смазки — снижает трение между движущимися частями двигателя.
Основной процесс работы бензинового двигателя
Впуск (впускной такт):
Во время этого цикла клапан впуска открывается, и поршень, двигаясь вниз, создаёт вакуум в цилиндре.
В этот момент топливо и воздух смешиваются в определенной пропорции (обычно 1:14.7) и поступают в цилиндр через впускной клапан.
Смесь создается в топливной форсунке, которая распыляет бензин в воздух, и эта смесь затем поступает в цилиндр.
Сжатие (такт сжатия):
После того как впускной клапан закрывается, поршень начинает двигаться вверх по цилиндру, сжимая топливо-воздушную смесь.
Сжатие происходит до тех пор, пока смесь не станет достаточно плотной, что создаст условия для воспламенения.
Этот процесс увеличивает температуру и давление смеси.
Рабочий ход (тактовое сгорание):
Когда поршень почти достигает верхней мертвой точки (ВМТ), свеча зажигания подает искру, которая воспламеняет сжатую топливо-воздушную смесь.
В результате сгорания смесь расширяется, выделяя большое количество тепла и газа. Это создаёт мощный выброс энергии, который заставляет поршень двигаться вниз.
Энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, преобразуется в механическую работу и передается через шатун на коленчатый вал.
Выпуск (выпускной такт):
После того как поршень достиг нижней мертвой точки (НМТ), выпускной клапан открывается.
Поршень начинает двигаться вверх, и отработанные газы, образовавшиеся после сгорания топлива, выводятся из цилиндра через выпускной клапан.
Это позволяет подготовить цилиндр к следующему циклу сжигания.
Дополнительные системы и процессы
Система зажигания: Она обеспечивает подачу искры через свечи зажигания. Контролируемое воспламенение топливо-воздушной смеси в цилиндре позволяет максимально эффективно извлекать энергию.
Турбонаддув (на некоторых моделях): Это система, которая увеличивает количество воздуха, поступающего в цилиндры, путем использования отработанных газов для вращения турбины. Это помогает повысить мощность двигателя без увеличения его объема.
Система управления двигателем (ЭБУ): Современные бензиновые двигатели оснащены электронным блоком управления, который регулирует подачу топлива, угол зажигания и другие параметры для оптимизации работы двигателя в различных режимах.
Технологии, повышающие эффективность
Вариатор фаз газораспределения (VVT): Этот механизм позволяет изменять время открытия и закрытия клапанов в зависимости от оборотов двигателя, что помогает повысить его эффективность и уменьшить расход топлива.
Интеркулер (для турбированных двигателей): Охлаждает воздух, поступающий в цилиндры, что позволяет увеличить плотность смеси и, соответственно, повысить мощность.
Многоточечное впрыск топлива (MPI): В отличие от одноточечного впрыска, многоточечный впрыск позволяет точнее дозировать количество топлива в каждом цилиндре, что повышает эффективность и снижает выбросы вредных веществ.
Этапы цикла работы двигателя
Один цикл (или один оборот коленчатого вала) включает в себя четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Эти процессы происходят дважды за каждый оборот коленчатого вала.
Четырёхтактный цикл — это самый распространённый тип работы бензинового двигателя. В некоторых случаях, например, в мотоциклах или газонокосилках, могут использоваться двухтактные двигатели, но в них отсутствует один из тактов, что приводит к иной работе.
Влияние смазки и охлаждения
Смазка: В бензиновом двигателе используются масла, которые снижают трение между движущимися частями (например, между поршнями и стенками цилиндров), предотвращая их износ и перегрев.
Охлаждение: Бензиновый двигатель генерирует большое количество тепла, которое нужно отводить, чтобы предотвратить его перегрев. Для этого используется жидкостное или воздушное охлаждение. Жидкостное охлаждение (с радиатором и насосом) более распространено в современных автомобилях.
Выбросы и экологические технологии
Современные бензиновые двигатели оснащены различными системами для снижения вредных выбросов:
Катализатор: Устройство, которое помогает перерабатывать вредные вещества в отработанных газах (оксиды азота, угарный газ, углеводороды) в менее вредные соединения, такие как азот и углекислый газ.
Рециркуляция отработанных газов (EGR): Часть отработанных газов возвращается в цилиндры для снижения температуры сгорания, что способствует уменьшению выбросов оксидов азота.
Заключение
Таким образом, бензиновый двигатель внутреннего сгорания — это сложная система, которая использует физико-химические процессы для преобразования энергии топлива в механическую работу. Основные этапы его работы включают впуск смеси, сжатие, сгорание и выпуск отработанных газов. Современные технологии и системы управления помогают значительно повысить эффективность, уменьшить расход топлива и сократить выбросы загрязняющих веществ.
