Что такое двигатель и какой его принцип работы?

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина электродвигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то его длина составит 40 мм. Отличием коллекторных электродвигателей от  бесколлектрных собратьев является простота в изготовлении и эксплуатации, следовательно, и стоимость его будет более низкой. Их особенность —  наличие щеточно-коллекторного узла, при помощи которого осуществляется соединение цепи ротора с расположенными в неподвижной части мотора цепями. Состоит он из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора.

Ротор

Щетки

Используют эти электродвигатели в радиоуправляемых игрушках: подав на контакты такого двигателя напряжение от источника постоянного тока (той же батарейки), вал приводится в движение. А, чтобы изменить его направление вращения, достаточно изменить полярность, подаваемого напряжения питания. Небольшой вес и размеры, низкая цена и возможность восстановления щеточно-коллекторного механизма делают эти электродвигатели наиболее используемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что он значительно уступает по надежности бесколлекторному, поскольку не исключено искрение, т.е. чрезмерный нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

На коллекторный электродвигатель нанесена, как правило, маркировка, указывающая на число оборотов: чем оно меньше, тем скорость вращения вала больше. Она, к слову, очень плавно регулируется. Но, существуют и  двигатели этого типа высокооборотистые, не уступающие бесколлекторным.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Уровень развития ДВС как мерило технического прогресса

Разработка ДВС нетривиальна, поскольку к цели идёт множество путей. Выбор лучшего (применительно к конкретной области и требованиям) является примером многофакторной оптимизации. Здесь недостаточно интуиции, нужны большие затраты при разработке вариантов, ресурсные испытания. Тенденции развития двигателестроения предоставляют много вариантов дальнейшего развития.

Высокие требования к деталям ДВС, сложности технологического порядка (материалы, обработка), производственный цикл (поточность, возможность брака), масштабы производства (миллионы единиц), высокий уровень конкуренции и интеграции мировой экономики, в совокупности позволяют судить об уровне технологии государства по уровню выпускаемых ДВС. Высокоэффективные двигатели не только позволяют создавать экономичный и экологичный транспорт, но и вести независимую разработку в таких областях как военное дело, ракетостроение (в частности, космические программы). Высокотехнологичные производства сами по себе служат центром кристаллизации инженерных сообществ, рождению новых идей. Не случайно, например, конвейерная сборка была впервые внедрена именно на сборке автомобилей, оснащённых ДВС. В свою очередь, поддержание в исправном состоянии и управление многочисленными транспортными средствами также создало множество новых профессий, рабочих мест, методов ведения бизнеса и даже образа жизни (коммивояджеры, путешественники). Не будет преувеличением сказать, что появление ДВС революционизировало весь мир.

Карбюраторные и инжекторные двигатели.

Приготовление горючей смеси в карбюраторных двигателях происходит в специальном устройстве – карбюраторе, в котором осуществляется процесс смешивания топлива с потоком воздуха, за счет искусственной конвекции, создаваемой аэродинамическими силами потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях процесс смесеобразования организован иначе. Топливо впрыскивается в воздушный поток, через специальные форсунки. Дозируется подача топлива электронным блоком управления, или (в более старых автомобилях) механической системой.

Первые инжекторные двигатели появились в 1997 году. Их внедрению способствовала корпорация OMC, которая выпустила двигатель, сконструированный с использованием технологии FICHT. Ключевым фактором этой технологии было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо сразу в камеру сгорания. Это революционное решение, в купе с использованием современного бортового компьютера, сделало возможным точное дозирование топлива, при перемещении поршня. В полость коленчатого вала впрыскивается чистое масло, без примесей топлива. Благодаря новой технологии конструкторам удалось изобрести двухтактный двигатель, который не уступал по экономичности карбюраторному четырехтактному двигателю, а также был компактным и легким.

Из-за новых стандартов на чистоту выхлопа, автомобильным производителям пришлось перейти от классических карбюраторных двигателей к инжекторным, а также установить современные нейтрализаторы выхлопных газов. Для функционирования катализатора необходим постоянный состав выхлопного газа, который поддерживается системой впрыска топлива. Обязательной составляющей катализатора является датчик содержания кислорода, благодаря которому отслеживается точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива и оксидов азота, которые сможет нейтрализовать катализатор.

Основные конструктивные отличия ДВС

Если говорить о главных отличиях в конструкции поршневых двигателей, различные силовые агрегаты делятся на рядные горизонтальные и вертикальны по расположению цилиндров. Также двигатели бывают V-образными, оппозитными и т.д.

Еще агрегаты бывают однопоршневыми двигателями, когда в одном цилиндре имеется один поршень и рабочая полость. При этом также встречаются ДВС, в которых поршни движутся противоположно в одном цилиндре, а рабочая полость находится между двумя поршнями. Также бывают моторы двойного действия, в которых по обеим сторонам от поршня имеются рабочие полости.

При этом существуют варианты роторного двигателя, где поршень-ротор не движется, а планетарное движение совершает корпус ДВС. Еще одной разновидностью можно считать агрегаты, в которых движется как корпус, так и сам ротор.

https://youtube.com/watch?v=_AebXT30C1c

Виды электродвигателей: классификация

Жёсткой классификации электродвигателей нет, но различать их можно по нескольким параметрам. Основные – тип питания и наличие скользящего контакта. Эти позиции можно считать ключевыми и по ним проще ориентироваться. В общем-то, видов электродвигателей не так и много – синхронные, асинхронные, постоянного тока, вентильные. Вот, пожалуй, всё. Другое дело, что в большинстве «категорий» есть достаточно вариантов, которые значительно меняют свойства и характеристики. Но с этим придётся разбираться применительно к каждой конструкции.

Электрические двигатели отличаются типом питания, устройством и назначением

Итак, рассмотрим виды электродвигателей по виду питающего напряжения. Они бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока: однофазное питание;
• трехфазное питание;

универсальные.

Пояснений требует только универсальный тип. Такой электродвигатель может работать как от постоянного, так и от переменного напряжения. По сути, один вид – универсальный коллекторный двигатель с обмотками возбуждения. К двигателям переменного тока относятся синхронные, асинхронные. На постоянном токе работают коллекторные и вентильные.

Наиболее распространённые виды электродвигателей

По способу передачи электропитания все электродвигатели можно разделить на две группы:

• с коллектором (щёточные);
• без коллектора (бесщёточные).

Бесщёточные электродвигатели требуют меньше обслуживания, работают тише, более надёжны. К ним относятся асинхронные с короткозамкнутым ротором (работают от переменного напряжения), вентильные (питаются постоянным напряжением). Остальные имеют коллектор и щётки, через которые на обмотки катушек подаётся напряжение.

Порядок работы двигателя

Порядком работы двигателя называется последовательность чередования рабочих ходов по цилиндрам двигателя. Для равномерной и плавной работы двигателя рабочие ходы и другие одноименные такты должны чередоваться в определенной последовательности в его цилиндрах. При этом чередование должно происходить через равные углы поворота коленчатого вала двигателя, величина которых зависит от числа цилиндров двигателя. В четырехтактном двигателе рабочий процесс совершается за два оборота коленчатого вала, т.е. за поворот вала на 720°. Число рабочих ходов равно числу цилиндров двигателя. Их чередование для четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей будет происходить соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала.

Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Так, например, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя, 

Доработка моторов

Тюнинг — доработка двигателя внутреннего сгорания по увеличению некоторых показателей, таких как мощность, динами, расход или другое. Это движение набрало всемирную популярность в начале 2000-х годов. Многие автолюбители начали самостоятельно экспериментировать со своими силовыми агрегатами и выкладывать фотоинструкции в глобальную сеть.

Сейчас можно встретить массу информации по проведенным доработками. Конечно, не весь этот тюнинг одинаково хорошо влияет на состояние силового агрегата. Так, стоит понимать, что разгон мощности без полного анализа и тюнинга может «угробить» ДВС, а коэффициент износа при этом увеличивается в несколько раз.

На основании этого, прежде чем проводить тюнинг мотора стоит все тщательно проанализировать, дабы не «попасть» на новый силовой агрегат” или, что еще хуже, не попасть в аварию, которая может стать для многих первой и последней.

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

• поршневые;
• роторные;
• газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель

При воспламенении топлива образуются газы, которые при нагреве расширяются. Этот факт всем известен из школьного курса физики. Указанный принцип положен в основу газотурбинной установки. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться. Чем больше температура газа, тем быстрее он увеличивается в объёмах. Эта зависимость определяет коэффициент полезного действия этого вида ДВС: чем выше температура газов, тем больше КПД.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

В моторах этого вида реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротором является треугольный поршень, который вращается в овальной камере – статоре. Ротор закреплён на валу с эксцентриситетом. При таком расположении во время вращения ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 такта работы.

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых.  Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

Это – самый распространённый тип двигателя. Рассмотрим его принципиальную схему работы.

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Классификация ДВС

По устройству:

• Поршневые двигатели — камерой сгорания служит цилиндр, возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала.
• Газотурбинные двигатели — преобразованию энергии газов служит ротор с лопатками специального профиля.

• Роторно-поршневые двигатели — камеру сгорания ограничивает треугольный ротор, выполняющий функцию поршня.
• Реактивные двигатели — развиваемая двигателем мощность сразу используется для поступательного движения ракеты или самолёта, дополнительное преобразование в крутящий момент и трансмиссия отсутствует (двигатель является также движителем). Поэтому имеют наивысшие удельные мощностные показатели; являются единственными двигателями, способными выводить аппараты на орбиту.
• Турбореактивные двигатели — разновидность реактивных, в качестве окислителя использует атмосферный воздух, предварительно сжимаемый компрессорной частью. Ввиду этого может быть использован только на Земле. Обычно называют просто реактивными, например, «самолёт с реактивным двигателем». Можно рассматривать турбореактивный двигатель и как разновидность газотурбинного, так как он имеет все основные его части, кроме выходного вала.
• Турбовинтовые двигатели — газотурбинный, работающий на винт. Применяются в авиации, на умеренных скоростях имеют более высокий КПД, чем турбореактивные.

Схема работы четырёхтактного рядного четырёхцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания

По другим критериям:

• по назначению — на транспортные (автомобильные, судовые, самолётные), стационарные и специальные.
• по роду применяемого топлива — бензиновые и газовые двигатели, работающие на тяжёлом топливе дизели.
• по способу образования горючей смеси — внешнее (карбюраторные и инжекторные двигатели) и внутреннее (в цилиндре ДВС у дизелей и искровых с непосредственным впрыском).
• по объёму рабочих полостей и весогабаритным характеристикам — лёгкие, средние, тяжёлые, специальные.
• устройству систем охлаждения (воздушное, жидкостное), и другим.

Помимо приведённых выше общих для всех ДВС критериев классификации существуют критерии, по которым классифицируются отдельные типы двигателей. Так, поршневые двигатели можно классифицировать по количеству и расположению цилиндров, коленчатых и распределительных валов, по типу охлаждения, по наличию или отсутствию крейцкопфа, наддува (и по типу наддува), по способу смесеобразования и по типу зажигания, по количеству карбюраторов, по типу газораспределительного механизма, по направлению и частоте вращения коленчатого вала, по отношению диаметра цилиндра к ходу поршня, по степени быстроходности (средней скорости поршня).

Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня

Одним из основополагающих конструктивных параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра, чем больше двигатель. Оптимальным с точки зрения газодинамики и охлаждения поршня является соотношение 1 : 1. Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Наоборот, чем больше диаметр цилиндра, тем выше рабочие обороты двигателя и тем ниже его крутящий момент на низких оборотах. Как правило, короткоходные ДВС (особенно гоночные) имеют больший крутящий момент на единицу рабочего объема, но на относительно высоких оборотах (больше 5000 об/мин.). При большем диаметре цилиндра/поршня сложнее обеспечить должный теплоотвод от донышка поршня ввиду его больших линейных размеров, но при высоких рабочих оборотах скорость поршня в цилиндре не превышает скорости поршня более длинноходного на его рабочих оборотах.

Характеристики ДВС

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.