Вы когда-нибудь открывали капот своего автомобиля и задавались вопросом, что там происходит? Автомобильный двигатель непосвященному может показаться большой запутанной смесью металла, труб и проводов.
Возможно, вы захотите узнать, что происходит, просто из любопытства. Или, может быть, вы покупаете новую машину и слышите такие вещи, как «2,5-литровая наклонная четверка», «с турбонаддувом» и «технология старт/стоп». Что все это значит?
В этой статье мы обсудим основную идею движка, а затем подробно расскажем о том, как все части сочетаются друг с другом, что может пойти не так и как повысить производительность.
Цель бензинового автомобильного двигателя состоит в том, чтобы преобразовывать бензин в движение, чтобы ваш автомобиль мог двигаться. В настоящее время самый простой способ создать движение из бензина — это сжечь бензин внутри двигателя. Следовательно, автомобильный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания. — горение происходит внутри.
Обратите внимание на две вещи:
Давайте рассмотрим процесс внутреннего сгорания более подробно в следующем разделе.
Содержание
Принцип любого поршневого двигателя внутреннего сгорания:если вы поместите небольшое количество топлива с высокой плотностью энергии (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и подожжете его, высвобождается невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа.
Вы можете использовать эту энергию для интересных целей. Например, если вы можете создать цикл, который позволяет вам производить подобные взрывы сотни раз в минуту, и если вы можете использовать эту энергию с пользой, то у вас есть сердцевина автомобильного двигателя.
Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем использует четырехтактный цикл сгорания. для преобразования бензина в движение. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто. , в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. Четыре штриха показаны на анимации. . Это:
Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна . Когда коленчатый вал вращается, это приводит к «сбросу пушки». Вот что происходит, когда двигатель проходит свой цикл:
Теперь двигатель готов к следующему циклу, поэтому он всасывает еще одну порцию воздуха и газа.
В двигателе прямолинейное движение поршней преобразуется коленчатым валом во вращательное движение. Вращательное движение хорошо, потому что мы все равно планируем с его помощью поворачивать (вращать) колеса автомобиля.
Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе, чтобы это произошло, начиная с цилиндров.
Сердцевиной двигателя является цилиндр, в котором поршень перемещается вверх и вниз. Одноцилиндровые двигатели типичны для большинства газонокосилок, но обычно автомобили имеют более одного цилиндра (распространены четыре, шесть и восемь цилиндров). В многоцилиндровом двигателе цилиндры обычно расположены одним из трех способов:в ряд , В или квартира (также известный как горизонтально-оппозитный или боксер), как показано на рисунках слева.
Так что упомянутая нами в начале рядная четверка — это двигатель с четырьмя цилиндрами, расположенными в ряд. Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения гладкости, стоимости изготовления и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для определенных транспортных средств.
Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно.
Свеча зажигания подает искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь, так что может произойти сгорание. Искра должна произойти в нужный момент, чтобы все работало правильно.
Впускной и выпускной клапаны открываются в нужное время, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить выхлопные газы. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время сжатия и сгорания, так что камера сгорания герметична.
Поршень — это цилиндрический кусок металла, который перемещается вверх и вниз внутри цилиндра.
Поршневые кольца обеспечивают скользящее уплотнение между внешней кромкой поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца служат двум целям:
Большинство автомобилей, которые «жгут масло» и должны доливать литр масла каждые 1000 миль, сжигают его, потому что двигатель устарел, а кольца больше не уплотняют его должным образом. Многие современные автомобили используют более современные материалы для поршневых колец. Это одна из причин, почему двигатели служат дольше и могут работать дольше между заменами масла.
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может вращаться с обоих концов, так что его угол может изменяться при движении поршня и вращении коленчатого вала.
Коленчатый вал превращает движение поршня вверх-вниз в круговое, как это делает кривошип домкрата из коробки.
Поддон окружает коленчатый вал. В нем содержится некоторое количество масла, которое скапливается на дне поддона (масляного поддона).
Далее мы узнаем, что может пойти не так с двигателями.
Итак, однажды утром вы выходите на улицу, и ваш двигатель крутится, но не заводится. Что может быть не так? Теперь, когда вы знаете, как работает двигатель, вы можете понять основные причины, по которым двигатель не работает.
Могут произойти три основные вещи:плохая топливная смесь, отсутствие сжатия или отсутствие искры. Кроме того, тысячи мелких вещей могут создать проблемы, но это «большая тройка». Основываясь на простом движке, который мы обсуждали, вот краткое изложение того, как эти проблемы влияют на ваш движок:
Плохая топливная смесь может происходить несколькими способами:
Отсутствие сжатия: Если заряд воздуха и топлива не может быть сжат должным образом, процесс горения не будет работать должным образом. Отсутствие сжатия может произойти по следующим причинам:
Наиболее распространенное «отверстие» в цилиндре возникает в верхней части цилиндра (удерживающей клапаны и свечу зажигания, также известной как головка цилиндра). ) крепится к самому цилиндру. Как правило, цилиндр и головка цилиндра соединяются болтами с тонкой прокладкой. запрессованы между ними, чтобы обеспечить хорошее уплотнение. Если прокладка выходит из строя, между цилиндром и головкой цилиндра образуются небольшие отверстия, которые вызывают утечки.
Отсутствие искры: Искра может отсутствовать или быть слабой по нескольким причинам:
Многие другие вещи могут пойти не так. Например:
В правильно работающем двигателе все эти факторы работают нормально. Совершенство не требуется, чтобы заставить двигатель работать, но вы, вероятно, заметите, когда что-то не идеально.
Как видите, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему выполнять свою работу по преобразованию топлива в движение. Мы рассмотрим различные подсистемы, используемые в движках, в следующих нескольких разделах.
Большинство подсистем движка могут быть реализованы с использованием различных технологий, а более совершенные технологии могут повысить производительность движка. Давайте рассмотрим все различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с клапанного механизма.
Клапанный механизм состоит из клапанов и механизма, который их открывает и закрывает. Система открывания и закрывания называется распределительным валом. . Распределительный вал имеет выступы, которые перемещают клапаны вверх и вниз, как показано на Рис. 5. .
Большинство современных двигателей имеют так называемые верхние кулачки. . Это означает, что распределительный вал расположен над клапанами, как показано на рис. 5. Кулачки на валу активируют клапаны напрямую или через очень короткую связь. В старых двигателях распределительный вал располагался в поддоне рядом с коленчатым валом.
ремень ГРМ или цепь ГРМ связывает коленчатый вал с распределительным валом, так что клапаны синхронизируются с поршнями. Распределительный вал вращается с половиной скорости вращения коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два на впуск, два на выпуск), и такое расположение требует двух распредвалов на ряд цилиндров, отсюда и фраза «двойные верхние распредвалы».
Система зажигания (Рисунок 6) создает электрический заряд высокого напряжения и передает его на свечи зажигания через провода зажигания. . Плата сначала поступает к дистрибьютору. , который вы без труда найдете под капотом большинства автомобилей. Распределитель имеет один провод, идущий по центру, и четыре, шесть или восемь проводов (в зависимости от количества цилиндров), выходящих из него. Эти провода зажигания отправить заряд на каждую свечу зажигания. Двигатель синхронизирован так, что только один цилиндр получает искру от распределителя одновременно. Такой подход обеспечивает максимальную плавность.
В следующем разделе мы рассмотрим, как двигатель вашего автомобиля заводится, охлаждается и циркулирует воздух.
Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует по каналам вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, охлаждая его. В некоторых автомобилях (в первую очередь Volkswagen Beetle до 1999 г.), а также в большинстве мотоциклов и газонокосилок двигатель вместо этого имеет воздушное охлаждение (вы можете отличить двигатель с воздушным охлаждением по ребрам, украшающим внешнюю сторону каждого цилиндра, чтобы помочь рассеивать тепло). Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, что обычно снижает срок службы двигателя и общую производительность.
Итак, теперь вы знаете, как и почему ваш двигатель остается холодным. Но почему циркуляция воздуха так важна? Большинство автомобилей без наддува , что означает, что воздух проходит через воздушный фильтр прямо в цилиндры. Мощные и современные экономичные двигатели либо с турбонаддувом или с наддувом , что означает, что воздух, поступающий в двигатель, сначала подвергается давлению (чтобы в каждый цилиндр можно было нагнетать больше воздушно-топливной смеси) для повышения производительности. Величина повышения давления называется наддувом. . Турбокомпрессор использует небольшую турбину, прикрепленную к выхлопной трубе, чтобы вращать сжимающую турбину в потоке входящего воздуха. Нагнетатель прикреплен непосредственно к двигателю, чтобы вращать компрессор.
Поскольку турбонагнетатель повторно использует горячий выхлоп для вращения турбины и сжатия воздуха, он увеличивает мощность двигателей меньшего размера. Таким образом, экономичный четырехцилиндровый двигатель может иметь мощность, которую вы могли бы ожидать от шестицилиндрового двигателя, при этом экономя топливо на 10–30 процентов лучше.
Повышение производительности вашего двигателя — это здорово, но что именно происходит, когда вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его? Стартовая система состоит из электростартера и соленоида стартера . Когда вы поворачиваете ключ зажигания, стартер прокручивает двигатель на несколько оборотов, чтобы мог начаться процесс сгорания. Для вращения холодного двигателя нужен мощный двигатель. Стартер должен преодолеть:
Поскольку требуется так много энергии и автомобиль использует 12-вольтовую электрическую систему, на стартер должны поступать сотни ампер электричества. Соленоид стартера, по сути, представляет собой большой электронный переключатель, который может выдерживать такой большой ток. Когда вы поворачиваете ключ зажигания, он активирует соленоид для питания двигателя.
Далее мы рассмотрим подсистемы двигателя, отвечающие за то, что входит (масло и топливо) и выходит (выхлоп и выбросы).
Когда дело доходит до ежедневного технического обслуживания автомобиля, первое, что вам нужно, это, вероятно, количество бензина в вашем автомобиле. Как газ, который вы заправляете, приводит в действие цилиндры? Топливная система двигателя перекачивает газ из бензобака и смешивает его с воздухом, чтобы в цилиндры могла поступать соответствующая воздушно-топливная смесь. В современных автомобилях топливо подается двумя распространенными способами:впрыск через порт и прямой впрыск.
В инжекторном двигателе необходимое количество топлива впрыскивается отдельно в каждый цилиндр либо прямо над впускным клапаном (распределенный впрыск топлива), либо непосредственно в цилиндр (прямой впрыск топлива). В старых автомобилях использовались карбюраторы, в которых газ и воздух смешивались карбюратором, когда воздух поступал в двигатель.
Нефть также играет важную роль. смазка Система гарантирует, что каждая движущаяся часть двигателя получает масло, чтобы она могла легко двигаться. Двумя основными частями, требующими масла, являются поршни (чтобы они могли легко скользить в своих цилиндрах) и любые подшипники, которые позволяют таким вещам, как коленчатый и распределительный валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления песка, а затем под высоким давлением впрыскивается на подшипники и стенки цилиндров. Затем масло стекает в поддон, где снова собирается, и цикл повторяется.
Теперь, когда вы знаете о некоторых вещах, которые вы добавили в ваша машина, давайте посмотрим, что из этого выйдет. Выхлопная система включая выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов, вылетающих из выхлопной трубы. Глушитель глушит звук.
Система контроля выбросов в современных автомобилях состоит из катализатора , набор датчиков и приводов, и компьютер, чтобы все контролировать и регулировать. Например, каталитический нейтрализатор использует катализатор и кислород для сжигания неиспользованного топлива и некоторых других химических веществ в выхлопных газах. Кислородный датчик в потоке выхлопных газов проверяет, достаточно ли кислорода для работы катализатора, и при необходимости регулирует ситуацию.
Кроме газа, что еще приводит в движение вашу машину? Электрическая система состоит из батареи. и генератор . Генератор соединен с двигателем ремнем и вырабатывает электричество для подзарядки аккумуляторной батареи. Аккумулятор подает 12-вольтовое питание на все элементы автомобиля, которым требуется электричество (система зажигания, радио, фары, стеклоочистители, электрические стеклоподъемники и сиденья, компьютеры и т. д.), через проводку автомобиля.
Теперь, когда вы знаете все об основных подсистемах двигателя, давайте посмотрим, как можно повысить производительность двигателя.
Используя всю эту информацию, вы можете начать понимать, что существует множество различных способов улучшить работу двигателя. Производители автомобилей постоянно экспериментируют со всеми перечисленными ниже параметрами, чтобы сделать двигатель более мощным и/или более экономичным.
Увеличить смещение: Больше рабочий объем означает больше мощности, потому что вы можете сжигать больше бензина при каждом обороте двигателя. Вы можете увеличить рабочий объем, увеличив цилиндры или добавив больше цилиндров. Двенадцать цилиндров кажутся практическим пределом.
Увеличить степень сжатия: Более высокие степени сжатия производят больше мощности, до определенного момента. Однако чем больше вы сжимаете воздушно-топливную смесь, тем больше вероятность того, что она самопроизвольно воспламенится (до того, как свеча зажигания воспламенит ее). Бензины с более высоким октановым числом предотвращают такое раннее сгорание. Вот почему высокопроизводительным автомобилям обычно требуется высокооктановый бензин — в их двигателях используется более высокая степень сжатия, чтобы получить большую мощность.
Запихните больше в каждый цилиндр: Если вы можете втиснуть больше воздуха (и, следовательно, топлива) в цилиндр заданного размера, вы можете получить больше мощности от цилиндра (так же, как если бы вы увеличили размер цилиндра) без увеличения количества топлива, необходимого для сгорания. . Турбокомпрессоры и нагнетатели повышают давление поступающего воздуха, чтобы эффективно нагнетать больше воздуха в цилиндр.
Охлаждение поступающего воздуха: Сжатие воздуха повышает его температуру. Однако вы хотели бы, чтобы в цилиндре был как можно более холодный воздух, потому что чем горячее воздух, тем меньше он будет расширяться при сгорании. Поэтому многие автомобили с турбонаддувом и наддувом имеют промежуточный охладитель. . Интеркулер — это специальный радиатор, через который проходит сжатый воздух для его охлаждения перед поступлением в цилиндр.
Позвольте воздуху поступать легче: Когда поршень движется вниз во время такта впуска, сопротивление воздуха может лишить двигатель мощности. Сопротивление воздуха можно значительно уменьшить, установив в каждом цилиндре два впускных клапана. В некоторых новых автомобилях также используются полированные впускные коллекторы, чтобы устранить там сопротивление воздуха. Воздушные фильтры большего размера также могут улучшить поток воздуха.
Облегчить выход выхлопных газов: Если сопротивление воздуха затрудняет выход выхлопных газов из цилиндра, это лишает двигатель мощности. Сопротивление воздуха можно уменьшить, добавив второй выпускной клапан в каждый цилиндр. Автомобиль с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеет по четыре клапана на цилиндр, что повышает производительность. Когда вы слышите, как в рекламе автомобиля говорится, что у автомобиля четыре цилиндра и 16 клапанов, реклама говорит о том, что двигатель имеет четыре клапана на цилиндр.
Если выхлопная труба слишком маленькая или глушитель имеет большое сопротивление воздуха, это может вызвать обратное давление, которое имеет тот же эффект. В высокопроизводительных выхлопных системах используются коллекторы, большие выхлопные трубы и глушители со свободным потоком для устранения обратного давления в выхлопной системе. Когда вы слышите, что у автомобиля «двойной выхлоп», ваша цель состоит в том, чтобы улучшить поток выхлопных газов, установив две выхлопные трубы вместо одной.
Сделайте все светлее: Легкие детали помогают двигателю работать лучше. Каждый раз, когда поршень меняет направление, он расходует энергию, чтобы остановить движение в одном направлении и начать его в другом. Чем легче поршень, тем меньше энергии он потребляет. Это приводит к повышению эффективности использования топлива и производительности.
Впрыск топлива: Впрыск топлива позволяет очень точно дозировать топливо в каждый цилиндр. Это повышает производительность и экономию топлива.
В следующих разделах мы ответим на некоторые часто задаваемые читателями вопросы о движке.
Вот набор вопросов читателей, связанных с движком, и их ответы:
Количество цилиндров в двигателе является важным фактором, влияющим на общую производительность двигателя. Каждый цилиндр содержит поршень, который качает внутри него, и эти поршни соединяются с коленчатым валом и вращают его. Чем больше поршней качает, тем больше воспламенений происходит в любой данный момент. Это означает, что больше энергии может быть произведено за меньшее время.
Четырехцилиндровые двигатели обычно имеют «прямую» или «рядную» конфигурацию, в то время как 6-цилиндровые двигатели обычно имеют более компактную V-образную форму и поэтому называются двигателями V6. Американские автопроизводители предпочитали двигатели V6, потому что они мощные и тихие, но технологии турбонаддува сделали четырехцилиндровые двигатели более мощными и привлекательными для покупателей.
Исторически сложилось так, что американские потребители автомобилей воротили нос от четырехцилиндровых двигателей, считая их медленными, слабыми, неуравновешенными и короткими в ускорении. Однако, когда японские автопроизводители, такие как Honda и Toyota, начали устанавливать высокоэффективные четырехцилиндровые двигатели на свои автомобили в 1980-х и 90-х годах, американцы по-новому оценили компактный двигатель. Японские модели, такие как Toyota Camry, стали продаваться быстрее, чем аналогичные американские модели
В современных четырехцилиндровых двигателях используются более легкие материалы и технология турбонаддува, например, в двигателе Ford EcoBoost, чтобы добиться производительности V-6 от более эффективных четырехцилиндровых двигателей. Усовершенствованная аэродинамика и технологии, такие как те, что используются Mazda в своих проектах SKYACTIV, снижают нагрузку на эти меньшие двигатели с турбонаддувом, еще больше повышая их эффективность и производительность.
Что касается будущего V6, то в последние годы разрыв между четырехцилиндровыми двигателями и двигателями V6 значительно сократился. Но двигатели V-6 по-прежнему находят применение, и не только в спортивных автомобилях. Грузовикам, которые используются для буксировки прицепов или перевозки грузов, для выполнения этих задач требуется мощность двигателя V-6. Мощность в таких случаях важнее эффективности.
Первоначально опубликовано:5 апреля 2000 г.
Как работает прокладка в моей машине?
Как работает автомобильный термостат?
Как работает система охлаждения автомобиля?
Что такое автомобильный двигатель? | Как работает автомобильный двигатель?
Что такое двигатель внутреннего сгорания и как он работает?