Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - представляет собой ряд процессов, в результате которых производится порция усилия (мощности), воздействующего на коленчатый вал двигателя. Рабочий цикл состоит из:

• заполнения цилиндра топливной смесью;

• ее сжатия;

• воспламенения смеси;

• расширения газов и очистки от них цилиндра.

Такт в ДВС - это движение поршня в одном направлении (вверх или вниз). За один оборот коленчатого вала совершается два такта. Тот из них, при котором происходит расширение сгоревших газов и совершается полезная работа, называется рабочим ходом поршня.

Двухтактный бензиновый двигатель для авиамоделей. Слева прикреплен карбюратор, справа - глушитель.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 2 такта (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 4 такта (два оборота коленвала), называются четырехтактным. Двух- и четырехтактные двигатели могут быть как бензиновыми (карбюраторными), так и дизельными. Каковы основные эксплуатационные и конструктивные особенности бензиновых двухтактных и четырехтактных двигателей? Чем отличается двухтактный от четырехтактного? Чтобы лучше понять это, необходимо ознакомиться с принципом их работы.

Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя

Рабочий цикл 4-х тактного двигателя состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Принцип работы четырехтактного двигателя

При впуске поршень опускается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). При этом с помощью кулачков распределительного вала открывается впускной клапан, через который в цилиндр засасывается топливная смесь.

При обратном ходе поршня (из НМТ в ВМТ) происходит сжатие топливной смеси, сопровождающееся ростом ее температуры.

Перед самым концом сжатия между электродами свечи загорается искра, поджигающая топливную смесь, которая, сгорая, образует горючие газы, толкающие поршень вниз. Происходит рабочий ход, при котором совершается полезная работа.

После перехода поршня НМТ открывается выпускной клапан, позволяя двигающемуся вверх поршню вытолкнуть отработавшие газы из цилиндра. Происходит выпуск. В верхней мертвой точке выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется снова.

Работа четырехтактного двигателя

Устройство четырехтактного бензинового двигателя (Honda): 1 - топливные фильтры, 2 - коленчатый вал, 3 - воздушный фильтр, 4 - часть системы зажигания, 5 - цилиндр, 6 - клапан, 7 - подшипник коленчатого вала.

Двигатель Honda

Принцип работы двухтактного бензинового двигателя

Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух тактов: сжатия и расширения (рабочего хода). Впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов, которые в 4-х тактных двигателях совершаются в отдельных тактах, в 2-х тактных происходят во время сжатия и расширения.

Принцип работы двухтактного двигателя

Принцип работы двухтактного двигателя

При сжатии поршень двигается из нижней мертвой точки в верхнюю. После того как перекроется сначала продувочное окно (2), через которое в цилиндр поступает топливная смесь, а затем выпускное (3), через которое выходят отработавшие газы, начинается сжатие воздушно-бензиновой смеси. Одновременно с этим в кривошипной камере (1) создается разрежение, засасывающее из карбюратора следующую порцию топлива. При подходе поршня к верхней мертвой точке смесь воспламеняется от искры свечи, и образовавшиеся газы толкают поршень вниз, вращая коленвал и производя полезную работу.

В кривошипной камере при рабочем ходе повышается давление, сжимающее топливную смесь, попавшую туда в предыдущем такте. При достижении верхней поверхности поршня (его уплотнительного кольца) выпускного окна, последнее открывается, выпуская отработавшие газы в глушитель. При дальнейшем движении поршень открывает продувочное окно, и находящаяся под давлением в кривошипной камере топливная смесь поступает в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов (осуществляя продувку) и заполняя надпоршневое пространство. При переходе поршня нижней мертвой точки рабочий цикл повторяется.

Работа двухтактного двигателя

Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей

Основное отличие двухтактного двигателя от четырехтактного обусловлено различием механизмов их газообмена - т.е. подачи воздушно-топливной смеси в цилиндр и удалении отработавших газов. В четырехтактном двигателе процессы очистки и заполнения цилиндра производятся с помощью специального газораспределительного механизма, который открывает и закрывает в определенное время рабочего цикла впускной и выпускной клапана.

В двухтактном двигателе заполнение и очистка цилиндра выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения - в то время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. Для этого в стенках цилиндра имеются два отверстия - впускное или продувочное и выпускное, через которые производится впуск топливной смеси и выпуск отработанных газа. Газораспределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его значительно проще и легче.

Литровая мощность. В отличие от четырехтактного двигателя, в котором один рабочий ход приходится на два оборота коленчатого вала, в двухтактном рабочий ход совершается при каждом обороте коленвала. Это означает, что 2-х тактный двигатель должен иметь (теоретически) вдвое большую литровую мощность (отношение мощности к литражу двигателя), чем 4-х тактный. На практике, однако, превышение составляет всего 1,5-1,8 раза. Это происходит из-за неполного использования хода поршня при расширении, худшего механизма освобождения цилиндра от отработавших газов, траты части мощности на продувку и прочих явлений, связанных с особенностями газообмена 2-х тактных двигателей.

Потребление топлива. Превосходя четырехтактный двигатель в литровой и удельной мощности, двухтактный двигатель уступает ему в экономичности. Вытеснение отработавших газов осуществляется в нем воздушно-топливной смесью, поступающей в цилиндр из кривошипно-шатунной камеры. При этом часть топливной смеси попадает в выхлопные каналы, удаляясь вместе с отработавшими газами и не производя полезной работы.

Смазка. Двухтактные и четырехтактные двигатели имеют различный принцип смазки двигателя. В 2-х тактных моделях она осуществляется смешиванием в определенных пропорциях (обычно 1:25-1:50) моторного масла с бензином. Воздушно-топливно-масляная смесь, циркулируя в кривошипной и поршневой камерах, смазывает подшипники шатуна и коленчатого вала, а также зеркало цилиндра. При возгорании топливной смеси масло, существующее в виде мельчайших капель, сгорает вместе с бензином. Продукты его сгорания удаляются вместе с отработанными газами.

Применяются два способа смешивания масла с бензином. Простое перемешивание перед заливкой топлива в бак и раздельная подача, при которой топливно-масляная смесь образуется во впускном патрубке, находящемся между карбюратором и цилиндром.

Раздельная система смазки двухтактного двигателя: 1 - масляный бак; 2 - карбюратор; 3 -разделитель троса газа; 4 - ручка газа; 5 - трос управления подачей масла; 6 - плунжерный насос-дозатор; 7 - шланг, подводящий масло во впускной патрубок.

В последнем случае двигатель имеет масляный бачок, трубопровод которого соединен с плунжерным насосом, подающим масло во впускной патрубок ровно в том количестве, которое требуется в зависимости от количества воздушно-бензиновой смеси. Производительность насоса зависит от положения ручки подачи "газа". Чем больше подается топлива, тем больше поступает масла, и наоборот. Раздельная система смазки двухтактных двигателей является более совершенной. При ней отношение масла к бензину при малых нагрузках может достигать 1:200, что приводит к уменьшению дымности, снижению образования нагара и расхода масла. Эта система используется, например, на современных скутерах с двухтактными двигателями.

В четырехтактном двигателе масло не смешивается с бензином, а подается отдельно. Для этого двигатели оснащены классической системой смазки, состоящей из масляного насоса, фильтра, клапанов, трубопроводной магистрали. Роль масляного бачка может выполнять картер двигателя (система смазки с "мокрым" картером) или отдельный бачок (система с "сухим" картером).

Система смазки четырехтактного двигателя с мокрым и сухим картером: 1 - поддон картера; 2 - маслозаборник; 3 - масляный насос; 4 - масляный фильтр; 5 - предохранительный клапан.

При смазке с "мокрым" картером насос 3 всасывает масло из поддона, нагнетает его в выходную полость и далее по каналам подает к подшипникам коленвала, деталям кривошипно-шатунной группы и газораспределительного механизма.

При смазке с "сухим" картером масло заливается в бачок, откуда с помощью насоса подается к трущимся поверхностям. Та часть масла, которая стекает в картер, откачивается дополнительным насосом, возвращающем ее в бачок.

Для очистки масла от продуктов износа деталей двигателя имеется фильтр. При необходимости устанавливается и охлаждающий радиатор, так как в процессе работы температура масла может подниматься до высоких температур.

Поскольку в двухтактных двигателях масло сгорает, а в четырехтактных нет, требования к его свойствам сильно разнятся. Масло, используемое в двухтактных двигателях, должно оставлять минимум нагара в виде золы и сажи, в то время как масло для четырехтактных двигателей должно обеспечивать стабильность характеристик в течение как можно более длительного времени.

Сравнение основных параметров двухтактных и четырехтактных двигателей:

• Литровая мощность. У 2-х тактных двигателей выше в 1,5-1,8 раза, чем у 4-х тактных.

• Удельная мощность (отношение мощности к массе двигателя). Также выше у 2-х тактных.

• Обеспечение подачи топлива и очистки цилиндра. 4-х тактные двигатели оснащены газораспределительным механизмом, который отсутствует у 2-х тактных двигателей.

• Экономичность. Выше у 4-х тактных, расход топлива у которых примерно на 20-30 % ниже, чем у 2-х тактных.

Двигатель	Количество тактов	Мощность, л.с.	Расход топлива (бензина), кг/час
Briggs&Stratton	4	3,5	0,9
Minarelli	2	3,5	1,5
Tecumzeh	4	3,7	0,9
Briggs&Stratton	4	5,0	1,0
Tecumzeh	4	5,0	1,0
Briggs&Stratton	4	6,0	1,1
Lombardini	4	7,0	1,6
Minsel	2	7,0	2,1

• Система смазки. Масло для 2-х тактных двигателей разводится в бензине или (значительно реже) подается из масляного бака во впускной коллектор и сгорает вместе с топливом в поршневой камере. У 4-х тактных двигателей реализована полноценная система, обеспечивающая качественную смазку двигателя и длительное использование масла.

• Экологичность. У 4-х тактных выше. Выхлоп 2-х тактных двигателей обладает большей токсичностью.

• Шумность работы. 4-х тактные двигатели менее шумные.

• Сложность конструкции. 2-х тактные двигатели значительно проще 4-х тактных.

• Ресурс работы. Выше у 4-х тактных из-за более совершенной системы смазки и меньшей частоты вращения коленвала.

• Скорость набора оборотов. 2-х тактные двигатели набирают обороты быстрее.

• Обслуживание. Сложнее у 4-х тактных из-за наличия газораспределительного механизма и более сложной системы смазки.

• Вес. 2-х тактные значительно легче.

• Цена. 2-х тактные дешевле.

Благодаря своей высокой удельной мощности, небольшому весу, простоте обслуживания двухтактные двигатели имеют достаточно широкую область применения. В отношении некоторой бензотехники вопрос, какой двигатель использовать - двухтактный или четырехтактный - даже не возникает. В бензопилах, например, двухтактный двигатель благодаря своему небольшому весу и высокой удельной мощности находится вне конкуренции по сравнению с четырехтактным. Широко используются 2-х тактные двигатели также в скутерах, мототехнике, авиамоделестроении.

И все же из-за токсичности выхлопа и шумности 2-х тактные двигатели сдают свои позиции перед 4-х тактными. Большая их конкурентоспособность возможна при использовании новых технологических решений. Таких, например, как идея компаний Aprilia и Orbital использовать для продувки двухтактного двигателя чистый воздух. Топливо в их модели подается через форсунку, расположенную в головке двигателя, а масло добавляется в продувочный воздух. Такой двигатель по экономичности даже превосходит четырехтактный, его экологичность также соответствует современным требованиям. Вот только главное достоинство 2-х тактных двигателей - простота их конструкции - несколько страдает от нововведения.

Классификация бензиновых двигателей

Существует определенная классификация бензиновых двигателей по различным параметрам.

Классификация бензиновых двигателей

? По способу смесеобразования. Существуют двигатели с внешним смесеобразованием, в которых данный процесс происходит вне цилиндра, и двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых процесс происходит соответственно внутри цилиндра – это двигатели с непосредственным впрыском.

? По способу осуществления рабочего цикла выделяют двигатели четырехтактные и двухтактные. И у тех, и у других существуют свои преимущества и недостатки. Так, например, двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объема по сравнению с четырехтактными, однако коэффициент полезного действия (КПД) у них ниже. Двухтактные двигатели используются в основном там, где на первом месте стоит проблема малого размера двигателя, а не эффективность и высокая мощность – в мотоциклах, небольших автомобилях и т. д. Четырехтактные двигатели более распространены и используются в абсолютном большинстве транспортных средств.

? По числу цилиндров бывают одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые двигатели.

? По расположению цилиндров выделяют двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (так называемые «рядные» двигатели); V-образные с расположением цилиндров под углом (если они расположены под углом 180°, то это двигатель с противолежащими цилиндрами – оппозитный двигатель).

? По типу охлаждения существуют двигатели воздушного (в основном устаревшие модели) и жидкостного охлаждения.

? По типу смазки существуют раздельный (когда масло находится в картере) и смешанный (когда масло смешивается с топливом) типы.

? По способу приготовления рабочей смеси. По этому параметру выделяются карбюраторные и инжекторные двигатели.

В настоящее время последние постепенно вытесняют первые.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Как уже следует из самого названия, рабочий цикл четырехтактного двигателя основывается на четырех этапах – тактах.

Первым из этих этапов является впуск. Он характеризуется тем, что в течение этого такта происходит опускание поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ).

Впуск происходит за счет того, что кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который в цилиндр засасывается свежая порция воздушно-топливной смеси (рис. 14).

Рисунок 14. Принцип работы четырехтактного двигателя

Вторым тактом является сжатие. На этом этапе поршень, наоборот, проходит путь из НМТ в ВМТ; при этом рабочая смесь, полученная на первом этапе, сжимается. В этот момент происходит резкое повышение температуры рабочей жидкости. Главнейшим параметром на данном этапе является степень сжатия. Важность его определяется тем, что, чем выше степень сжатия, тем выше экономичность двигателя. Стоит однако подчеркнуть, что для двигателя с большой степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, а оно всегда стоит дороже.

На третьем этапе во время рабочего хода поршня происходит сгорание топлива и расширение рабочей смеси.

Под степенью сжатия понимается отношение рабочего объема двигателя в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ.

С помощью искры от свечи зажигания поджигается топливовоздушная смесь, причем это происходит незадолго до конца цикла сжатия. В процессе прохождения поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает. Под воздействием тепла, выработанного при сгорании топлива, рабочая смесь расширяется и толкает поршень. Здесь одним из важнейших параметров является угол опережения зажигания, под которым понимается степень недоворота коленчатого вала до ВМТ в момент поджигания смеси. Дело в том, что давление газов должно достигнуть максимальной величины именно в тот момент, когда поршень находится в ВМТ, для чего и необходимо опережение зажигания.

Для регулировки угла опережения в современных двигателях используется электроника, в то время как в старых образцах это происходит с помощью механики.

В целом все это приводит к поставленной задаче – максимально эффективному использованию сгоревшего топлива. А учитывая то обстоятельство, что сгорание топлива занимает практически фиксированное время, то для повышения эффективности двигателя необходимо увеличить угол опережения зажигания при повышении оборотов.

Выпуск – четвертый такт. Работа на данном этапе происходит следующим образом: после выхода рабочего цикла из НМТ открывается выпускной клапан, в этот момент движущийся вверх поршень выталкивает отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл повторяется снова.

Однако стоит иметь в виду, что для начала следующего процесса (например, впуска) не обязательно должен быть полностью завершен предшествующий процесс (например, выпуск).

Подобное положение, когда открытыми оказываются одновременно оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Более того, такое положение бывает специально предусмотрено и может служить для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью и лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

К преимуществам четырехтактного двигателя можно отнести следующие характеристики: большой ресурс, большая (по сравнению с другими двигателями) экономичность, более чистый выхлоп, меньший шум, к тому же не требуется выхлопная система.

Принцип работы двухтактного двигателя

В отличие от четырехтактного двигателя рабочий цикл двухтактного происходит в течение одного оборота коленчатого вала.

Из четырех тактов предыдущего двигателя в данном случае присутствуют только два – сжатие и расширение. Два других цикла – впуск и выпуск – заменены в таком двигателе процессом продувки цилиндра вблизи НМТ поршня. В этот момент свежая струя рабочей смеси вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Если остановиться на этом подробнее, то рабочий цикл двухтактного двигателя выглядит следующим образом.

В то время когда поршень двигается вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно с этим поршень, движущийся вверх, создает разрежение в кривошипной камере (рис. 15).

Рисунок 15. Двухтактный двигатель: 1 – выпускной клапан; 2 – форсунка; 3 – продувочный насос; 4 – продувочные (впускные) окна

Под воздействием создаваемого разрежения клапан впускного коллектора открывается и свежая порция топливовоздушной смеси (обычно с добавлением масла) засасывается в кривошипную камеру.

В ходе движения поршня вниз повышается давление в кривошипной камере и клапан закрывается. Сам же процесс сгорания и расширения рабочей смеси происходит точно так же, как и в четырехтактном двигателе. Однако в момент движения поршня вниз открывается так называемое впускное окно (т. е. поршень перестает перекрывать его). Через это окно выхлопные газы, все еще находящиеся под большим давлением, устремляются в выпускной коллектор. Через некоторое время таким же образом поршень открывает впускное окно, которое расположено со стороны впускного коллек тора.

В это время свежая смесь выталкивается из кривошипной камеры идущим вниз поршнем и попадает в рабочую камеру двигателя, где окончательно вытесняет отработанные газы. Часть рабочей смеси при этом выбрасывается в выпускной коллектор. Во время движения поршня вверх часть свежей смеси, которая была вытолкнута из выпускного коллектора, засасывается обратно в кривошипную камеру.

При одинаковом объеме цилиндра двухтактный двигатель должен иметь почти в два раза большую мощность, чем четырехтактный. Однако это потенциальное преимущество далеко не всегда возможно полностью реализовать. Прежде всего это затрудняется недостаточной эффективностью продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Но все-таки при одинаковом литраже двухтактный двигатель мощнее в 1,5 или 1,8 раза.

Неотъемлемое преимущество двухтактного двигателя перед четырехтактным заключается в его компактных габаритах из-за отсутствия громоздкой системы клапанов и распределительного вала. К преимуществам двухтактного двигателя можно также отнести отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения, большую мощность в пересчете на 1 л рабочего объема, простоту и дешевизну изготовления.

Карбюраторные и инжекторные двигатели

Разница между карбюраторными и инжекторными двигателями заключается прежде всего в системе приготовления рабочей смеси и впрыска топлива.

В карбюраторных двигателях приготовление рабочей смеси происходит в карбюраторе.

В двигателях инжекторного типа впрыск топлива в воздушный поток осуществляется с помощью специальных форсунок. Топливо подается к форсункам под давлением, дозирование же осуществляется с помощью электронного блока управления (подачей импульса тока).

Карбюраторные двигатели представляют собой, можно сказать, вариант, предшествующий инжекторным. Прямой последовательности в данном случае нет, так как один не является технологически новым поколением двигателей, продолжающим предыдущее поколение. Дело в том, что переход к инжекторному устройству связан в основном с новыми требованиями к чистоте выхлопа (выхлопным газам) и с установкой современных нейтрализаторов выхлопных газов – каталитических конвертеров, или просто катализаторов. Постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор, обеспечивается системой впрыска топлива, контролируемой программой впрыска топлива. В связи с тем что современный катализатор может работать исключительно в узком диапазоне рабочего состава топлива и требует строго определенного содержания кислорода, необходимо обязательное наличие такого важного элемента, как лямбда-зонд, известного еще как кислородный датчик. Система управления с помощью лямбда-зонда постоянно анализирует содержание кислорода в выхлопных газах и поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива и оксидов азота. При этом регулярно поддерживается именно такое соотношение, которое способно обезвредить катализатор. Сложность устройства и его задача-максимум состоят в том, что современный катализатор вынужден не просто окислять не сгоревшие полностью в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота. Кроме того, желательно еще раз окончательно окислять весь поток газов. Однако необходимого результата можно добиться лишь в пределах так называемого «каталитического окна». Учитывая то, что одной из самых сложных задач является удержание нормативов по оксидам азота, необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания.

«Каталитическое окно» – узкий диапазон соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнять свои функции.

Этого можно достигнуть преимущественно с помощью понижения температуры процесса горения путем добавления определенного количества выхлопных газов в камеру сгорания при некоторых критических режимах.

Система зажигания

Система зажигания является основной вспомогательной системой бензинового двигателя. Она призвана обеспечивать детонацию горючей смеси в необходимый момент. Системы зажигания бывают различного типа – контактные, бесконтактные или микропроцессорные. Бесконтактная принципиально отличается от контактной лишь тем, что у нее вместо прерывателя стоит индукционный датчик. У микропроцессорной системы отличий несколько больше: она управляется специальным блоком-компьютером и включает в себя такие элементы, как датчик положения коленчатого вала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи и датчик температуры двигателя. В инжекторных двигателях система зажигания дополнительно оснащается датчиком положения дроссельной заслонки и датчиком массового расхода воздуха.

Дизельный двигатель

История изобретения

В первую очередь стоит сказать о происхождении самого названия двигателя – «дизельный». Им он обязан своему изобретателю – Рудольфу Дизелю, который в 1890 г. разработал теорию «экономичного термичного двигателя». Уже вскоре теория была воплощена на практике, и 23 февраля 1893 г. Рудольф Дизель получил патент на свое изобретение. Однако путь к изобретению, которое вошло в историю человечества как самый настоящий «двигатель прогресса», был весьма тернист и многотруден. Интересно, что сначала изобретатель выдвигал в качестве идеального топлива каменноугольную пыль. Но сама практика вскоре продемонстрировала невозможность использования такого вида топлива прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, образующейся при ее сгорании. Кроме того, возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндр. Работа все-таки не прошла даром, так как был получен важнейший опыт использования в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций. Здесь самое время упомянуть, что, хотя Рудольф Дизель и был первым, кто запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия, все-таки были и другие изобретатели, работавшие в том же направлении. Еще раньше Дизеля изобретатель Экройд Стюарт высказал одну интересную мысль: он предложил такую схему двигателя, при которой воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем (в конце цикла сжатия) нагнетался в емкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость нагревалась снаружи лампой, а после запуска его самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла извне.

Экройд Стюарт просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, не рассматривая при этом особенности работы от высокой степени сжатия, т. е. не обращал внимание на самое большое преимущество – топливную эффективность. Судя по всему, это и явилось причиной того, что повсеместно стали использоваться термины «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», ведь именно теория Рудольфа Дизеля стала базовой для создания тех самых современных двигателей с воспламенением от сжатия, которые используются сегодня в огромном количестве.

Еще большую популярность дизельные двигатели приобрели в связи с вопросами экономии, возникшими во второй половине XX в.: в 1970-е гг. после резкого роста цен на топливо на них обратили серьезное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

Однако нельзя сказать, что двигатель Дизеля стал окончательным вариантом – в дальнейшем этот механизм претерпевал доработки и усовершенствования. Так, например, большой вклад в улучшение двигателя Дизеля внес немецкий ученый Роберт Бош в 1920-х гг. Использованная им для нагнетания и впрыска топлива гидравлическая система позволила отказаться от воздушного компрессора и дала возможность дальнейшего увеличения скорости вращения. Востребованный в таком виде высокооборотный дизель стал пользоваться все большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта: его устанавливали на пассажирских и небольших грузовых автомобилях.

Типы дизельных двигателей

Существует классификация типов дизельных двигателей в зависимости от конструкции камеры сгорания.

1. Дизель с неразделенной камерой. Камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Основное достоинство такого двигателя состоит в минимальном расходе топлива. Недостатком дизельного двигателя с неразделенной камерой является повышенный уровень шума, по устранению которого в настоящее время ведутся интенсивные работы.

2. Дизель с разделенной камерой. Топливо подается в дополнительную камеру. Обычно в дизельных двигателях такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался.

Такое устройство способствует наибольшему перемешиванию впрыскиваемого топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Эта схема долгое время признавалась оптимальной и широко использовалась. Однако вследствие малой экономичности в последнее время идет активное вытеснение таких дизелей двигателями с непосредственным впрыском топлива.

Четырехтактный дизельный двигатель

На первом этапе (такт впуска, когда поршень идет вниз) в цилиндр через открытый впускной клапан втягивается свежая порция воздуха.

На втором этапе (такт сжатия, когда поршень идет вверх), в то время как впускной и выпускной клапаны закрыты, воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от соотношения 14 : 1 до 24 : 1) по сравнению с общим объемом цилиндра, а воздух становится очень горячим.

Рисунок 16. Четырехтактный дизельный двигатель

Непосредственно перед началом третьего такта (такт рабочего хода, когда поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. Оно в момент впрыска распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода, энергия при сгорании высвобождается. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.

В начале четвертого этапа (такт выпуска, когда поршень идет вверх), выпускной клапан открывается и выхлопные газы проходят через него (рис. 16).

Двухтактный дизельный двигатель

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя следующий. Поршень расположен в нижней мертвой точке (НМТ), и цилиндр в этот момент наполнен воздухом. Воздух сжимается во время хода поршня вверх; вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) происходит впрыск топлива, которое самовоспламеняется.

Затем происходит рабочий ход: продукты сгорания, расширяясь, передают энергию поршню, который движется вниз. Вблизи нижней мертвой точки происходит продувка – продукты сгорания замещаются свежим воздухом. На этом цикл завершается.

Для осуществления продувки в нижней части цилиндра устраиваются продувочные окна. Они оказываются открытыми в то время, когда поршень находится внизу. Соответственно, когда поршень поднимается, он перекрывает окна.

Поскольку при двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще, то можно ожидать существенного повышения мощности по сравнению с четырехтактным циклом.

Неподвижные детали  Блок-картер является остовом двигателя, в котором размещаются и   работают подвижные детали, к нему крепятся практически все навесные   агрегаты и приборы, обеспечивающие работу двигателя.  Блок-картер отливают из легированного чугуна или алюминиевых  сплавов.  Блок-картер разделен на две части горизонтальной перегородкой.  В нижней части в вертикальных перегородках имеются разъемные   отверстия крепления коленчатого вала, в верхней гильзы цилиндров.  Блок-картер может быть отлит вместе с цилиндрами («сухие» гильзы), либо  иметь вставные сменные гильзы, непосредственно омываемые   охлаждающей жидкостью, так называемые «мокрые» гильзы. Также в блок-картере  выполнены гладкие отверстия под коренные опоры распределительного  вала, под толкатели ГРМ, имеются гладкие и резьбовые отверстия и   приваленные поверхности крепления деталей и приборов.  Гильзы цилиндров. Гильзы цилиндров являются направляющими для  поршня и вместе с головкой образуют полость, в которой осуществляется  рабочий цикл. Изготовляют гильзы литьем из специального чугуна. На   наружной поверхности имеется одна или две посадочные поверхности   крепления гильзы в блоке цилиндров. Внутреннюю поверхность цилиндра   подвергают закалке с нагревом ТВЧ и тщательно обрабатывают, получая   «зеркальную» поверхность.  Верхняя часть цилиндра наиболее нагружена, так как здесь происходит  сгорание рабочей смеси, сопровождаемое резким повышением давления и  температуры. Кроме того, в этой зоне происходит перекладка поршня,   сопровождаемая ударными нагрузками на стенки цилиндра. Для повышения  износостойкости верхней части цилиндров в карбюраторных двигателях  (ЗМЗ-53 и ЗИЛ-508.10) применяют вставки из специального   износостойкого чугуна, запрессованные в верхней части цилиндра. Толщина вставки  2—4 мм, высота 40—50 мм, используемый материал — аустенитный чугун.  «Мокрые» гильзы могут быть установлены в блок-картер с центровкой  по одному или двум поясам. Первый способ применяется для постановки  гильзы в алюминиевые, второй — в чугунные блоки.  Для уплотнения нижнего центрирующего пояска «мокрых» гильз   применяют резиновые кольца. Гильзы с центровкой по одному нижнему поясу  уплотняются одной медной прокладкой под торцевой плоскостью буртика.  Головка блока цилиндров закрывает цилиндры и образует верхнюю часть  рабочей полости двигателя, в ней частично или полностью размещаются  камеры сгорания. Головки блока цилиндров отливают из легированного  серого чугуна или алюминиевого сплава. Чаще всего они являются общими  для всех цилиндров, образующих ряд.  В головках блока цилиндров размещаются гнезда и направляющие  втулки клапанов, впускные и выпускные каналы. Их внутренние полости  образуют рубашку для охлаждающей жидкости. В верхней части имеются  опорные площадки для крепления деталей клапанного механизма. В   конструкциях с верхним расположением распределительного вала   предусмотрены соответствующие опоры. Для уплотнения стыка головки блока   цилиндров и блока цилиндров применяют сталеасбестовую уплотняющую  прокладку, предотвращающую прорыв газов наружу и исключающую   проникновение охлаждающей жидкости и масла в цилиндры. В двигателях  воздушного охлаждения головки блока цилиндров делают оребренными.  Причем ребра располагают по движению потока охлаждающего воздуха.  Так, чтобы обеспечивался более эффективный теплоотвод.  Поддон картера закрывает КШМ снизу и одновременно является   резервуаром для масла. Поддоны изготовляют штамповкой из листовой стали  или отливают из алюминиевых сплавов. Внутри поддонов могут   выполняться лотки и перегородки, препятствующие перемещению и   взбалтыванию масла при движении автомобиля по неровным дорогам.  Привалочная поверхность, стыкующаяся с блок-картером, имеет от-  бортовку металла и усиливается для придания жесткости стальной   полосой, приваренной по периметру. В нижней точке поддона приваривается  бобышка с резьбовым отверстием, которое закрывают пробкой с магнитом  для улавливания металлических крошек, образующихся вследствие   изнашивания двигателей.