Что такое строение двигателя

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Для настоящего автолюбителя машина — это непросто средство передвижения, а ещё и инструмент свободы. При помощи автомобиля можно достаться в любую точку города, страны или континента. Но наличия прав для настоящего путешественника недостаточно. Ведь до сих пор есть множество мест, где не ловит мобильный, и куда не могут добраться эвакуаторы. В таких случаях при поломке вся ответственность ложится на плечи автомобилиста.

Поэтому каждый водитель должен хоть немного разбираться в устройстве своего автомобиля, и начать нужно именно с двигателя. Безусловно, современные автомобильные компании выпускают множество автомобилей с разными типами моторов, но чаще всего производителями в конструкциях используются двигатели внутреннего сгорания. Они обладают высоким КПД и при этом обеспечивают высокую надёжность работы всей системы.

Какими бывают ДВС

Перед тем как приступить к подробному изучению устройства ДВС и их принципа работы, рассмотрим, какими бывают двигатели внутреннего сгорания. Сразу нужно сделать одно важное замечание. За более чем 100 лет эволюции учёными было придумано множество разновидностей конструкций, у каждой из которых есть свои преимущества. Поэтому для начала выделим основные критерии, по которым можно различить данные механизмы:

1. В зависимости от способа создания горючей смеси все ДВС делятся на карбюраторные, газовые и инжекторные устройства. Причём это класс с внешним смесеобразованием. Если же говорить о внутреннем, то — это дизели.
2. В зависимости от типа топлива ДВС можно разделить на бензиновые, газовые и дизельные.
3. Охлаждение устройства двигателей может быть двух типов: жидкостным и воздушным.
4. Цилиндры могут располагаться как друг напротив друга, так и в форме буквы V.
5. Смесь внутри цилиндров может воспламеняться посредством искры. Так происходит в карбюраторных и инжекторных ДВС или за счёт самовоспламенения.

В большинстве автомобильных журналов и среди профессиональных автоэкспортов принято классифицировать ДВС, на такие типы:

1. Бензиновый двигатель. Это устройство работает за счёт бензина. Зажигание происходит принудительно при помощи искры, которую генерирует свеча. За дозировку топливно-воздушной смеси отвечают карбюраторные и инжекторные системы. Воспламенение происходит при сжатии.
2. Дизельные ДВС. Двигатели с устройством такого типа работают за счёт сгорания дизельного топлива. Главная разница в сравнении с бензиновыми агрегатами заключается в том, что горючее взрывается благодаря повышению температуры воздуха. Последнее становится возможным из-за роста давления внутри цилиндра.
3. Газовые системы функционируют при помощи пропан-бутана. Зажигание происходит принудительным образом. Газ с воздухом подаётся в цилиндр. В остальном устройство подобного ДВС аналогично бензиновому мотору.

Именно такая классификация используется чаще всего, указывая на конкретные особенности системы.

Устройство и принцип работы

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Лучше всего рассмотреть устройство ДВС на примере одноцилиндрового двигателя. Главной деталью в механизме является цилиндр. В нём находится поршень, который двигается вверх-вниз. При этом есть две контрольные точки его передвижения: верхняя и нижняя. В профессиональной литературе они именуются как ВМТ и НМТ. Расшифровка следующая: верхняя и нижняя мёртвые точки.

Главная задачу шатуна — это преобразование энергии, которая образовывается в результате движения поршня вверх-вниз во вращательное. Результатом подобного преобразования является движение автомобиля в нужное вам направление. Именно за это отвечает устройство ДВС. Также не стоит забывать про бортовую сеть, работа которой становится возможной благодаря энергии, выработанной двигателем.

Маховик крепится к концу вала ДВС. Он обеспечивает стабильность вращения коленчатого вала. Впускной и выпускной клапаны находятся вверху цилиндра, который, в свою очередь, накрывается специальной головкой.

Чтобы клапаны ДВС открылись, на них воздействуют кулачки распредвала. Происходит это посредством передаточных деталей. Сам вал двигается при помощи шестерней коленчатого вала.

Чтобы устройство ДВС функционировало в нормальном режиме, горючая смесь должна подаваться в чётко выверенной пропорции. В противном случае возгорание может не произойти. Огромную роль также играет момент, в который происходит подача.

Масло необходимо для того, чтобы предотвратить преждевременный износ деталей в устройстве ДВС. В общем, всё устройство двигателя внутреннего сгорания состоит из таких основных элементов:

• свечей зажигания,
• клапанов,
• поршней,
• поршневых колец,
• шатунов,
• коленвала,
• картера.

Взаимодействие этих системных элементов позволяет устройству ДВС вырабатывать нужную для передвижения автомобиля энергию.

Принцип работы

Рассмотрим, как работает четырёхтактный ДВС. Чтобы понять принцип его работы, вы должны знать значение понятия такт. Это определённый промежуток времени, за который внутри цилиндра осуществляется нужное для работы устройства действие. Это может быть сжатие или воспламенение.

Такты ДВС образуют рабочий цикл, который, в свою очередь, обеспечивает работу всей системы. В процессе этого цикла тепловая энергия преобразуется в механическую. За счёт этого происходит движение коленчатого вала.

Здесь нужно сделать одно важное объяснение. Сейчас в автомобилях преимущественно используется устройство четырёхтактного двигателя. Такие системы отличаются большей надёжностью и улучшенной производительностью.

Для совершения четырёхтактного цикла нужно два оборота коленчатого вала. Это четыре движения поршня вверх-вниз. Каждый такт выполняет действия в точной последовательности:

• впуск,
• сжатие,
• расширение,
• выпуск.

Предпоследний такт также называется рабочим ходом. Про верхнюю и нижнюю мертвые точки вы уже знаете. Но расстояние между ними обозначает ещё один важный параметр. А именно, объём ДВС. Он может колебаться в среднем от 1,5 до 2,5 литра. Измеряется показатель посредством плюсования данных каждого цилиндра.

Во время первого полуоборота поршень с ВМТ перемещается в НМТ. При этом впускной клапан остаётся открытым, в свою очередь, выпускной плотно закрыт. В результате данного процесса в цилиндре образуется разряжение.

Горючая смесь из бензина и воздуха попадает в газопровод ДВС. Там она смешивается с отработанными газами. В результате образуется идеальное для воспламенения вещество, которое поддаётся сжатию на втором акте.

Сжатие происходит тогда, когда цилиндр полностью заполнен рабочей смесью. Коленчатый вал продолжает свой оборот, и поршень перемещается из нижней мёртвой точки в верхнюю.

На третьем такте происходит расширение. Когда сжатия подходит к своему логическому завершению свеча генерирует искру и происходит воспламенение. В дизельном двигателе всё происходит немного по-другому.

Во-первых, вместо свечи установлена специальная форсунка, которая на третьем такте впрыскивает топливо в систему. Во-вторых, внутрь цилиндра закачивается воздух, а не смесь газов.

Принцип работы дизельного ДВС интересен тем, что в нём топливо воспламеняется самостоятельно. Происходит это за счёт повышения температуры воздуха внутри цилиндра. Подобного результата удаётся добиться за счёт сжатия, в результате которого растёт давление и повышается температура.

Когда топливо через форсунку попадает внутрь цилиндра ДВС, температура внутри настолько высока, что возгорание происходит само собой. При использовании бензина подобного результата добиться нельзя. Всё потому что он воспламеняется при гораздо более высокой температуре.

Последний такт в четырёхтактном ДВС носит название впуск. Он происходит на четвёртом полуобороте. Принцип его действия довольно прост. Выпускной клапан открывается, и все продукты сгорания попадают в него, откуда в выпускной газопровод.

Перед тем как попасть в атмосферу отработанные газы из ДВС обычно проходят систему фильтров. Это позволяет минимизировать вред, наносимый экологии. Тем не менее устройство дизельных двигателей всё равно намного более экологично, чем бензиновых.

Устройства, позволяющие увеличить производительность ДВС

С момента изобретения первого ДВС система постоянно совершенствуется. Если вспоминать первые двигатели серийных автомобилей, то они могли разгоняться максимум до 50 миль в час. Современные суперкары без труда преодолевают отметку в 390 километров. Таких результатов учёным удалось добиться за счёт интеграции в устройство двигателя дополнительных систем и некоторых конструкционных изменений.

Большой прирост мощности в своё время дал клапанный механизм, внедрённый в ДВС. Ещё одной ступенью эволюции стало расположение распределительного вала вверху конструкции. Это позволило уменьшить число движущихся элементов и увеличить производительность.

Также нельзя отрицать полезность современной системы зажигания ДВС. Она обеспечивает максимально возможную стабильность работы. Вначале генерируется заряд, который поступает на распределитель, а с него на одну из свечей.

Итоги

Как видите, устройство двигателя внутреннего сгорания не представляет особенной сложности. Для того чтобы его понять не нужно каких-либо специальных знаний — достаточно простого желания. Тем не менее знание принципов работы ДВС точно не будет лишними для каждого водителя.

Дизайн в живых организмах: моторы

Из нашего опыта мы обычно можем сказать, было ли что-то спроектировано разумом или нет. Основным доказательством является высокое информационное содержание. Что-либо имеет высокое информационное содержание, если нужна сложная инструкция (алгоритм) для его построения. Например, текст с повторяющимся алфавитом АБВГД АБВГД имеет мало информации в сравнении с произведением Шекспира. Структуры с высоким информационным содержанием (литературные произведения, архитектурные строения, двигатели и т.д.) не могут возникать в результате действия случайных сил природы, а требуют разумного создателя.

Такие структуры состоят из многих частей. Например, вы не можете построить мотор из одной детали. Зачастую, удаление одной части может нарушить работу всего механизма. Ученые называют это неснижаемой сложностью системы — все части вносят свой вклад в ее работу. Если убрать хотя бы одну составляющую, система просто не будет функционировать. Простая мышеловка является примером неснижаемой сложности. Она состоит из основания, удерживающей вертикальной рейки, пружины, молоточка и фиксатора. Уберите хотя бы что-то, и она перестанет работать как мышеловка.

Неснижаемую сложность нельзя получить пошагово или постепенным развитием, она создается сразу как единое целое.

Бактерии передвигаются с помощью электромоторов

Многие моторы демонстрируют неснижаемую сложность. Ученые обнаружили в живых организмах тысячи разных молекулярных механизмов. Их дизайн превзошел самые усердные достижения людей. Бактерии двигаются, используя жгутики (ед.flagellum, от лат. хлыст) — филаменты (нити), вращаемые с помощью настоящего электромотора. Этот мотор размером всего лишь с вирус и намного меньше, чем что-либо, созданное человеком. При этом он может вращаться до 1000 оборотов в секунду!

Встроенный в мембрану клетки, он позволяет микроорганизму передвигаться в выбранном направлении с определённой скоростью. Этот двигатель сформирован по тем же механическим принципам, что и электрический двигатель. В нём есть две главные части: движущаяся часть («ротор») и стационарная часть («статор»).

Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в один пучок, образуя своеобразный пропеллер, чья сила заставляет бактерию двигаться почти по прямой линии. После изменения вращения жгутиков на противоположное, пучок расплетается. Когда жгутики снова начнут вращаться против часовой стрелки, направление движения микроорганизма будет отличаться от первоначального. Бактерия таким образом изменяет направление движения. Мотор состоит из ротора, статора и некоторых вспомогательных белковых частей, выполняющих роль подшипника, внутри которого вращается стержень ротора.

Жгутик и мотор бактерии: детальное исследование

Бактериальный жгутик — это сложный наномеханизм, в чьем создании принимают участие около 240 различных белков. Внутренняя структура его двигателя также чрезвычайно сложна. Он состоит из более 50 разных молекулярных частей, каждый из которых выполняет определённую функцию, такую как ротация двигателя, изоляция, приводной вал, очерёдность переключения регулятора, универсальная связка, спиралевидный пропеллер и т.д. Диаметр двигателя составляете всего 30-40 нм (1 нм = одна миллиардная метра), при этом его эффективность преобразования энергии превышает 95%.

Рассмотрим его детальней (Рис. 2) Важными узлами электромотора являются два диска (называемые М- и S- дисками), центры которых соединены с вращающимся стержнем, выступающим наружу. На краю диска М находятся многочисленные копии белка, названного Мot B. Несколько копий белка Мot А, который входит в состав статора, встроены в мембрану и примыкают к краям дисков М и S. Вращающий момент возникает за счет взаимодействия субъединиц Мot B с белковыми субъединицами Мot А, расположенными на статоре электромотора. В состав субъединицы Мot А входят два протонных канала. Как вода течет на мельнице, так и протоны текут через эти каналы мембраны. В результате прохода протонов через белки Мot А и Мot В происходит вращение ротора. За одну секунду бактерия может перемещаться на расстояние, которое в 10 раз превышает ее собственную длину. Если бы люди так плавали, то стометровую дорожку плавательного бассейна они проплывали бы за 5 секунд! У некоторых бактерий скорость вращения превышает 1000 оборотов в секунду! Несмотря на такую скорость, бактерия может остановить жгутик всего за 1/3 оборота! Их электромоторы также очень экономичны и потребляют не более 1% ресурсов бактерии.

Молекулярные механизмы подтверждают сотворение

Известный британский эволюционист Холдейн заявил в 1949, что эволюция никогда не могла произвести «различные механизмы, такие как колесо и магнит, которые были бы бесполезными до своей полной безупречности». Поэтому такие механизмы в организмах доказали бы ложность эволюции.

Молекулярный мотор на самом деле удовлетворил один из его критериев. Сложная структура бактериального жгутика опровергает теорию эволюции, так как она демонстрирует неснижаемую сложность. Даже если однаединственная часть этой сложной структуры исчезнет или повредится, жгутик не будет ни работать, ни представлять пользу для бактерии. Он не мог развиться поэтапно, так как предполагаемые предшествующие формы не могли функционировать и устранялись бы естественным отбором. Жгутик и его электромотор должны были появиться как целостная система, т.е. были сотворены.

«Ибо, что можно знать о Боге, явно для них, потому что Бог явил им. Ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы, так что они не имеют извинения» (Рим 1:20)

Словари

1. процесс действия по гл. устраивать I 1., 2., устраиваться

2. Результат такого действия; механизм, конструкция.

Установленный общественный порядок, строй.

УСТРО́ЙСТВО — сущ., с., употр. сравн. часто

Морфология: (нет) чего? устро́йства, чему? устро́йству, (вижу) что? устро́йство, чем? устро́йством, о чём? об устро́йстве; мн. что? устро́йства, (нет) чего? устро́йств, чему? устро́йствам, (вижу) что? устро́йства, чем? устро́йствами, о чём? об устро́йствах; см. глаг. устраивать

1. Устройством называют сделанное человеком приспособление, которое выполняет определённые функции, действует обычно автоматически, использует для своего функционирования энергию.

Переговорное, вычислительное устройство. | Печатающее устройство. | Электронное, микропроцессорное, портативное устройство. | Самодельное взрывное устройство.

2. Устройством называется расположение, соотношение частей и способы функционирования какого-либо механизма, приспособления и т. п.

Изучать устройство двигателя. | Новая модель самолёта отличается более сложным устройством крыла.

3. Устройством называют внутреннее физическое, физиологическое строение какого-либо организма, схема расположения и соотношения органов, частей тела человека, животного, птицы и др.

Устройство кисти руки человека. | Устройство скелета птицы. | Защитные устройства нервной системы человека. | Изучать устройство головного мозга.

4. Общественным устройством называется установленный порядок, организация общества.

Меняются времена и эпохи, страны и народы приходят в движение, разрушаются социальное устройство и семейный уклад, на месте их воздвигается новое общество.

УСТРО́ЙСТВО, устройства, ср.

1. только ед. Действие по гл. устроить в 1, 2, 3 и 4 знач. — устраивать. Он занят устройством квартиры. Устройство мастерской. Устройство спектакля.

2. Соотношение частей, расположение. Удобное устройство дома.

3. Установленный порядок, строй. «Впервые Конституция страны определяет основы созданного трудящимися социалистического общества и его государственное устройство.» Молотов. Общественное устройство.

4. Механизм, конструкция. У этого замки очень остроумное устройство. Устройство завода стоит на высоте современной техники.

УСТРО́ЙСТВО, -а, ср.

1. см. устроить, -ся.

2. Расположение, соотношение частей, конструкция чего-н. Удобное у. помещения. Прибор сложного устройства.

3. Установленный порядок, строй. Государственное у. Общественное у.

4. Техническое сооружение, механизм, машина, прибор. Решающее у. Регулирующее у.

1) (чего, только ед.) Организация чего-л.

Илья Андреич Ростов был озабочен устройством обеда в Английском клубе (Л. Толстой).

2) (чего, только ед.) Расположение, соотношение частей в каком-л. механизме, приспособлении и т. п.

Схема устройства телевизора.

3) Техническое сооружение, оборудование, посредством или при помощи которого совершается какая-л. работа; механизм.

4) (чего, только ед.) Установленный общественный порядок, строй.

Устройство крестьянской общины.

Государственное устройство России.

5) (чего, только ед.) Структура, строение чего-л.

Растения не имеют ли свои привычки? — Между тем можно, зная совершенно устройство их, дать им новые привычки, некоторого рода воспитание. (Чаадаев).

построе́ние, склад, строй

Связано происхождением с глаголом строить (о.-слав. * strojiti).

УСТРО́ЙСТВО 1́ , -а, ср

Совокупность определенным образом соединенных частей, совершающих под действием приложенных сил заданные движения;

Син.:механизм.

Переговорное устройство. Устройство для подъема груза.

УСТРО́ЙСТВО 2́ , -а, ср

Расположение, соотношение частей какого-л. механизма, аппарата, конструкция чего-л.

[Лариосик]… знакомясь с устройством десятизарядного пистолета системы Кольт, вложил в ручку обойму не тем концом… (Булг.).

УСТРО́ЙСТВО 3́ , -а, ср

Социальное правило, установленный общественный порядок, строй, система организации чего-л.

УСТРО́ЙСТВО -а; ср.

1. к Устро́ить (1-5 зн.) и Устро́иться (4 зн.). У. жизни. У. театра. У. вечера отдыха. У. детей в детский сад. У. новой веранды.

2. Расположение и соотношение частей в каком-л. механизме, приспособлении и т.п.; конструкция. Изучать у. двигателя, замка, тормоза. Схема устройства для смешения жидкостей. Новая модель самолёта отличается другим устройством крыла. // Сам механизм, механическое приспособление для чего-л. Переговорное, вычислительное у. Регулирующее уровень воды у. У. для подъёма грузов. У. для открывания ворот.

3. Склад, строй, строение и т.п. физических данных кого-л. или его органов, частей тела. У. кисти руки человека. У. скелета птицы. Защитные устройства нервной системы человека. Изучать у. головного мозга. У. психических процессов. Физиологическое у. снятия физических напряжений.

4. Установленный общественный порядок, система, организация чего-л. Государственное, общественное у. У. экономических отношений.

1. Действие по глаг. устроить-устраивать (в 1, 2, 3, 4 и 5 знач.) и устроиться-устраиваться (в 4 знач.).

Устройство спектакля. Устройство на работу.

План переселения Лапши в Саратовский луг и устройства там колодца и мазанки немало также занимал Сергея

Васильевича. Григорович, Переселенцы.

— Никаких землянок, удобных для устройства в них полка, не оказалось. Сергеев-Ценский, Лютая зима.

2. Расположение и соотношение частей в каком-л. механизме, приспособлении и т. п.; конструкция.

Лунин с любопытством разглядывал устройство этих мостов. Н. Чуковский, Балтийское небо.

3. Установленный общественный порядок, система, организация чего-л.

Государственное устройство. Общественное устройство.

Вместе с переселением козаков на Кубань перешло туда и прежнее их сечевое устройство — кош и курени. Добролюбов, Черноморские козаки в их гражданском и военном быту.

4. Механизм, механическое приспособление, сооружение.

Грузовое устройство. Регулирующее устройство.

Трал, стальные канаты, паровая лебедка, на которую навертываются канаты, система блоков, «талей», для поднимания тяжелой мотни, — вот и все простое устройство. М. Пришвин, За волшебным колобком.

Зарядное устройство. Жарг. мол. Шутл. Спиртное. Елистратов 1994, 163.

§ 18. Понятие о машине и механизме

В современном мире человека окружают различные машины. Многие из них ты видел.

Машина — это устройство, предназначенное для выполнения какой-либо работы путём преобразования одного вида энергии в другой. Машины разделяют на пять классов.

Машины-двигатели — превращают энергию любого вида в механическую, например электрическую в механическую (стиральная машина) или тепловую в механическую (двигатель в автомобиле).

Машины-генераторы — преобразуют механическую энергию в другой вид энергии, например: турбина электростанции превращает энергию текущей в реке воды в электрическую энергию.

Технологические машины предназначены для изменения размеров и форм заготовок, например станки для обработки древесины и металла.

Транспортные и подъёмно-транспортные машины служат для перемещения людей, грузов, изделий, например автомобили, подъёмные краны, лифты.

Информационные машины предназначены для преобразования информации, например электронно-вычислительные машины (ЭВМ) или персональные компьютеры (ПК).

Машины состоят из одного или нескольких связанных между собой механизмов. Механизм — это устройство, имеющее несколько деталей, в котором при движении одного элемента (звена) другие звенх>я выполняют определённые согласованные движения (табл. 3).

Таблица 3

Виды механизмов(передач)

В винтовом механизме при вращении винта гайка, удерживаемая от вращения, начинает перемещаться вдоль оси винта, например в винтовом механизме переднего и заднего зажимов столярного верстака.

Фрикционный механизм (фрикционная передача) состоит из двух катков (дисков), которые прижаты друг к другу. При вращении одного катка вращается и другой.

Ремённая передача передаёт вращение от одного шкива 1 к другому 2 с помощью ремня 3 (см. табл. 3). В сверлильном станке, с которым ты ознакомишься в § 29, вращение шпинделю со сверлом передаётся от электродвигателя с помощью ремённой передачи.

Детали, из которых состоят изделия, соединяются между собой тем или иным образом. Соединения деталей могут быть подвижными и неподвижными (табл. 4).

Таблица 4

Виды соединений

Все машины и механизмы состоят из отдельных деталей. Детали могут быть простыми и сложными (табл. 5). Простые детали (болт, гайка, шайба) применяют почти во всех изделиях. Сложными называют детали, которые имеют непростую форму и на их изготовление требуется много времени (например, станина станка, зубчатое колесо ручной дрели и др.).

Таблица 5

Примеры простых и сложных деталей

Знакомимся с профессиями

Машинист — специалист, занимающийся управлением различных машин, например машинист электровоза, тепловоза, экскаватора, подъёмного крана. Эта профессия требует большой ответственности, поскольку связана с перемещением людей или грузов.

Водитель — это специалист, который управляет легковым или грузовым автомобилем. Он знает устройство автомобиля, правила его обслуживания, может выполнять несложный ремонт.

Наладчик — специалист, обслуживающий технологические машины — станки. Это рабочий высокой квалификации, который выполняет наладку и настройку станков, следит за точностью их работы. Оператор ЭВМ — это специалист, который занимается вводом и обработкой информации на электронно-вычислительных машинах. Он должен знать устройство компьютера, уметь обслуживать компьютерную технику, работать с программными комплексами и многое другое.

Лабораторно-практическая работа № 16

Ознакомление с машинами, механизмами, соединениями, деталями

1. Ознакомьтесь с машинами, имеющимися в школьной учебной мастерской. Запишите в рабочую тетрадь их названия, определите, к какому классу они относятся.
2. Ознакомьтесь с механизмами, имеющимися в мастерской. Запишите в рабочую тетрадь их названия и назначение.
3. Запишите в рабочую тетрадь примеры подвижных и неподвижных соединений, кроме указанных в таблице 4.
4. Найдите в машинах и механизмах, имеющихся в мастерской, простые и сложные детали.

Найди в Интернете информацию о том, какие интересные машины и механизмы помогают человеку в его жизни.

Новые слова и понятия

Машина, технологические машины, информационные машины, механизмы, соединения деталей (подвижные, неподвижные), детали (простые, сложные), машинист, водитель, наладчик, оператор ЭВМ.