Масово автомобилите се задвижват основно от двигатели с вътрешно горене (ДВГ), въпреки интензивното навлизане на електрическите двигатели и хибридните технологии.
ДВГ е топлинен двигател, който преобразува топлинната енергия, която се получава при изгарянето на определено гориво, в механична такава. За горенето се използва кислородът, който се намира в атмосферния въздух. Работа извършват разширяващите се газове, получени при горенето. Причината двигателят да се нарича „с вътрешно горене“ е, че изгарянето на гориво-въздушната смес става вътре в цилиндрите. А всички периодично повтарящи се процеси в цилиндъра на двигателя и тяхната последователност се нарича работен цикъл.
Основни части на двигателя:
- Цилиндри – Едни от главните детайли на буталния двигател са цилиндрите. Топлинните процеси, които са свързани с преобразуването на енергията на горивото в механична работа, се извършват във вътрешната кухина на цилиндъра.
- Бутала – Уплътнението на надбуталното пространство се извършва чрез монтиране на бутални пръстени (сегменти) в горната им част, а буталата се движат в цилиндрите възвратно-постъпателно. Горна мъртва точка и долна мъртва точка са крайните положения на буталата при тяхното движение в цилиндъра.
- Мотовилка – Чрез нея се свързват буталото и коляновия вал. Служи още, за да преобразува възвратно-постъпателното движение на буталото във въртеливо движение на коляновия вал.
- Колянов вал – Под въздействие на мотовилката образува във въртящи движения нейните усилия.
- Маховик – Маховикът регулира, намалявайки неравномерността на въртенето на коляновия вал, акумулира енергията, която се използва за спомагателните тактове, помага за първоначалното пускане на двигателя и прави потеглянето на автомобила по-плавно. Маховикът е по същество метален диск, който е закрепен от едната страна на вала.
- Клапани – Клапаните са смукателни и изпускателни. На цилиндър могат да бъдат монтирани по два или четири като те го затварят херметически от горната страна.
- Разпределителен (гърбичен) вал – Гърбичните профили, които се намират на него, помагат за отварянето на смукателните и изпускателни клапани в точно определени моменти, така че по същество разпределителния вал управлява движенията на клапаните. Той получава движението си от коляновия дял и двата се въртят синхронно.
- Картер – Коляновият дял и другите детайли на двигателя се намират в картера – тялото на двигателя.
Двигателите за МПС могат да имат от един до шест цилиндъра, но не е изключено такива, които са по-мощни да имат и повече цилиндри, а най-често използвани са четирицилиндровите двигатели. При процеси, които се поварят последователно във всеки един от цилиндрите, става преобразуването на енергията от топлинна в механична.
За едноцилиндров двигател тези процеси са:
Изображение: wikipedia.org
- Всмукване (пълнене) – буталото се движи от горната мъртва точка към долната (надолу) и е отворен само смукателния клапан. Създава се вакуум при бензиновите двигатели с вътрешно горене и вследствие на това се засмуква смес от въздух и бензинови пари. При дизеловите двигатели се засмуква само въздух.
- Сгъстяване – При процесът на сгъстяване буталото се движи от долна мъртва точка към горна, тоест нагоре, и са затворени двата клапана. Буталото компресира въздуха при дизеловите двигатели и гориво-въздушната смес при бензиновите. При дизеловите двигатели степента на сгъстяване е два пъти по-голяма, затова температурата на въздуха достига до 600 °C. Преди буталото да стигне до горната мъртва точка, тоест в края на сгъстяването, се подава високоволтова искра от свещ при бензиновите двигатели. Тя пали горивовъздушната смес. При дизеловите двигатели горивото се самозапалва от високата температура и се впръсква. Запалването е процес, свързан с отделяне на газове и става мигновено.
- Разширение (работен ход) – Буталото се движи под действието на разширяващите се газове надолу и чрез мотовилката на коляновия вал предава енергията им. Затворени са и двата клапана при работния ход. Движението на буталото се преобразува в движение на коляновия вал (въртеливо).
- Изпускане – При процеса на изпускане е отворен единствено изпускателния клапан. Буталото изтласква отработените газове, движейки се нагоре. Това става през изпускателния колектор и ауспуха в атмосферата. Цикълът се повтаря в същия ред като един цикъл се извършва за един оборот на разпределителния вал и два на коляновия.
След разглеждане на отделните процеси, може да се заключи, че само един от четирите такта е работен. Превърта се не само коляновият вал през този такт, но и се зарежда с кинетична енергия маховикът. В резултат на това той движи коляновия вал с инерцията си, тоест буталото през трите неработни такта. Редуват се работните ходове в отделните цилиндри, когато двигателят не е едноцилиндров. Тогава маховикът има по-малка роля. Това е и причината многоцилиндровите двигатели да имат по-леки и по-малки маховици.
Двигателите с вътрешно горене се делят на бензинови, които работят също и с газ, и на дизелови. Има съществена разлика в принципа на действие на двата типа двигатели и тя е следната:
- Бензинови двигатели – карбураторни
Образуването на гориво-въздушната смес става извън цилиндрите в карбуратора или в смукателния колектор при инжекционите. Запалването се получава принудително от запалителни свещи, които подават високоволтова ел. искра в края на такта „сгъстяване“ във всеки цилиндър.
При различните режими на работа на двигателя, карбураторът е дозатор на горивото. Монтирани са различни калибрирани отверстия за гориво и въздух – жигльори. От преминаващия въздух през карбуратора, горивото се засмуква вследствие на вакуума в смукателния колектор. Горивото при инжекционите не се засмуква, а принудително се впръсква в смукателния колектор под ниско налягане.
- Дизелови двигатели
Дизеловото гориво и въздуха се смесват в цилиндрите. Те се пълнят само с въздух при такта „всмукване“. В края на такта „сгъстяване“ горивото се впръсква в цилиндрите през дюзи под високо налягане. То се създава от горивонагнетателна помпа и от високата температура на сгъстения въздух се самовъзпламенява. Горивната камера, в която горивото се впръсква, е от голямо значение. При двигателите с по-малка мощ, горивните камери са разделени. Едната част се намира в цилиндровата глава, където се впръсква горивото.
Конструкция на двигателите с вътрешно горене
Двигателите с вътрешно горене (ДВГ) са по същество сложен агрегат от отделни механизми и уредби. В най-общия случай това са шест уредби и два механизма.
Коляно-мотовилков механизъм
Този механизъм служи за преобразуване на възвратно-постъпателното движение на буталата във въртеливо движение на коляновия дял. Също и за възприемане налягането на газовете в цилиндрите. Съставът му е от цилиндри, цилиндров блок, бутала, мотовилки, колянов вал с маховик и картер.
Газоразпределителен механизъм
Механизмът осигурява напълването на цилиндъра с гориво-въздушна смес или въздух при дизеловите двигатели. Чрез своевременно отваряне и затваряне на всмукателния и изпускателния клапан осигурява и опразването на цилиндъра. Газоразпределителния механизъм включва пружини (затварящи клапаните), клапани, кобилици или плунжери, разпределителен вал и частта, която го задвижва – верига или назъбен ремък, който помага на разпределителния вал да получава движението си от коляновия.
Горивна уредба
За да се подведат необходимите за горенето гориво и въздух към цилиндрите, в съотношение и количество, зависещо от натоварването на двигателя. Чрез подкачващи помпи горивото се засмуква от резервоара, а от буталата при движението им от горна към долна мъртва точка в такта „всмукване“ се засмуква въздухът. При двигателите с турбо пълнене допълнително се нагнетява въздухът от турбокомпресор. При тези с бензинов двигател уредбата подава гориво-въздушна смес към цилиндрите, а при дизеловите двигатели – въздух и гориво, но поотделно.
Съставът на горивната уредба се състои от резервоар за гориво, горивни филтри, подкачващи помпи, горивопроводи, карбуратор или дюзи (инжекциони) – при бензиновите двигатели с вътрешно горене. А при дизеловите двигатели – горивонагнетателна помпа и дюзи за високо налягане. Въздуховодите с въздушния филтър също принадлежат към горивната уредба.
Запалителна уредба
Запалителна уредба притежават само бензиновите двигатели. Тя действа възпламенително на гориво-въздушната смес в определен момент в такта „сгъстяване“ чрез подаване на високоволтова искра – моменти преди буталото да достигне горна мъртва точка. В нейния състав са включени механичен или електронен прекъсвач разпределител, индукционна бобина, в която се създава високото напрежение, при съвременните двигатели също електронно управляващо устройство, високоволтови проводници, както и запалителни свещи.
Подгревателна уредба
Подгревателна уредба притежават единствено дизеловите двигатели. Тя цели улесняване стартирането на двигателя като предварително подгрява камерите. Състои се от подгревателни свещи и система с реле за подаване от акумулатора ток.
Охладителна уредба
Най-силно топлинно натоварените части на ДВГ са цилиндровата глава и цилиндровите втулки. Те биват охлаждани от охладителната уредба чрез принудителна циркулация на охлаждаща течност. Уредбата се състои от водна риза – кухини в блока и главата, през които течността преминава, вентилатор, радиатор, водна помпа (центробежен тип), термостат, който регулира дебита на циркулиращата течност, тоест температурата.
Мазилна уредба
За да осигури смазването на всички триещи се части на двигателя, мазилната уредба подава масло към тях. Уредбата включва маслена помпа, маслопроводи, филтър, резервоар за масло (картер) и при някои конструкции – радиатор за охлаждане.
В картера на двигателя се монтира помпа, чрез сонда, на която се засмуква масло. Тази помпа може да се задвижва електрически или коляновия вал да я задвижва. Когато работи, засмуканото масло се подава под налягане по маслопроводи към тези части на двигателя, които се трият. Това са лагерите на коляновия и разпределителния вал, мотовилките, вала на турбокомпресора и други.
След помпата се преминава през маслен филтър, който задържа механичните частици, получени от износването на триещите се метални повърхности.
Другата функция, която маслото изпълнява е охлаждащата. Попадналото масло между буталата и цилиндрите служи като уплътнител.
Пускова уредба
Както името подсказва това е уредба, която действа за пускане на двигателя в действие. Това е първоначалното завъртане на коляновия дял от електромотор, черпещ ток от акумулатора. Към състава на пусковата уредба се включват пусковия електромотор, който всъщност задвижва коляновия дял чрез зъбния венец на маховика, и самия акумулатор.
Изпускателна уредба
Уредбата има две основни предназначения, отвеждайки отработените газове в атмосферата – да бъде шумът намален и токсичните компоненти да бъдат неутрализирани чрез катализатора, вграден в нея.
Въглеродният окис е основният вреден компонент при бензиновите двигатели. Той се редуцира до безвреден въглероден диоксид в катализатора.
Има и кислороден датчик (ламбда сонда) в тръбата преди катализатора, който измерва концентрацията на кислород в изгорелите газове. Датчика подава информация към електронното управляващо устройство на двигателя (ЕБУ). Кислород не остава, когато изгарянето е пълно и добро. След подадената от датчика информация, електронният блок за управление коригира количеството подавано гориво в цилиндрите.
За да може да се оцени правилно гориво-въздушната смес, се прилага коефициент за излишък на въздух. Той представлява отношението на количеството въздух, което постъпва в цилиндрите, към количеството въздух, което на теория е важно за пълното изгаряне на бензина. Коефициентът се нарича ЛАМБДА.
Друга борба срещу вредни компоненти се наблюдава при дизеловите двигатели. Там борбата е срещу азотните окиси и твърдите частици. За да работи добре при твърдите частици, се монтират допълнителни специални филтри. Те имат пореста структура, така че при преминаването на отработените газове се улавят въглеродните частици. Тези частици са и причината за черния дим при двигателите на дизел.
Най-голямо развитие, както и непрекъснато, е това на горивната уредба при двата типа двигатели. От това зависят мощностите, икономичните параметри, както и отделянето на вредни емисии.
Инжекционни системи при бензиновите двигатели
Карбураторите в горивната уредба на бензиновите двигатели на практика са изместени от инжекционите. Тези системи позволяват да се оптимизира много по-добре процесът на горене за всеки режим на работа на двигателя като се дозира точно горивото в засмуквания от буталата въздух. Така се гарантира по-добра икономия на горивото и по-голяма мощност. При инжекционните системи горивото се впръсква при невисоко налягане във въздуха от дюзи, намиращи се в смукателния колектор. Този тип системи биват с централно впръскване (моноинжекция) и с многоточково впръскване – пълна инжекция.
Система за централно впръскване – едноточково
При ниско налягане се впръсква горивото и попада в засмукания от буталата въздух. Това се случва през една дюза (от електромагнитен тип), която е монтирана над всмукателния колектор на мястото на карбуратора. Електромагнитът, които отваря и затваря отворите за впръскване, всъщност получава команди от електронната система за управление. Горивото се впръсква на части, следователно прекъснато. Когато двигателят се натоварва, например при натискане на педала на газта, продължителността на фазите на впръскване се увеличава. Така и впръсканото гориво се увеличава за единица време. При карбураторните двигатели пък се отваря и затваря дроселовата клапа с помощта на педала на газта.
Система за многоточково впръскване – пълна инжекция
Всеки цилиндър в пълната инжекционна система има отделна дюза, която се намира в смукателната тръба точно пред всмукателния клапан. ЕБУ е цифров микрокомпютър, който управлява работата на дюзите. В него са въведени данни за продължителност на впръскването, които са съобразени с определен брой положения на дроселовата клапа и с каква честота се върти коляновия дял.
ЕБУ управлява системата на запалването в инжекционните системи като осигурява подаването на искра в определен момент преди буталото да е достигнало ГМТ. Това зависи от режим на работа на двигателя и оборотите му, като по същество това е ъгъл на изпреварване на запалването.
Системи за впръскване при дизеловите двигатели
Система HDI common rail (обща рампа)
В обща рампа, захранваща всички дюзи, според режима на двигателя, се подава гориво от нагнетената помпа под високо налягане. Компютърът, който управлява дюзите, отчита от съответните датчици оборотите на двигателя, температурата на входящия въздух и температурата на охладителната течност, както и скоростта на автомобила и положението на педите на газ, съединител и спирачка. Може да се каже, че тази система прилича на пълната инжекционна система при бензиновите двигатели с разликата, че тук дизеловото гориво се впръсква от дюзите в камерите при 1000 пъти по-голямо налягане.
Система „помпа-дюза“
Горивонагнетателна помпа при тази система липсва, тъй като дюзите са изпълнени като помпи и до тях горивото достига от подкачваща помпа на резервоара. Те се задвижват от разпределителния вал, където се и намират, чрез упражнено налягане директно върху всяка дюза чрез лостчета, които се опират на гърбиците на вала.
Има електромагнит, който е контролиран от управляващ електронен блок на впръскването и той управлява регулацията на налягането във всяка дюза. Чрез това впръскване се осигурява най-добра дозировка на подаването на гориво. Налягането достига до 2050 бара, а датчиците, които подават информация към компютъра, са същите като тези на HDI.
Система „помпа – тръбопровод – дюза“
Гърбиците на разпределителния вал задвижват помпените елементи, които са отделни, и за всяка дюза има отделен помпен елемент. Тази система е с налягане около 1800 бара. Електромагнитни клапани на помпените елементи контролират процеса на впръскване, като те са свързани с електронно управляващо устройство.
Пълнене под налягане „турбо“
Под налягане в цилиндрите се вкарва въздух по време на такта всмукване, за да се повиши литровата мощност на ДВГ без това да изменя обема му. За да бъде това възможно се използва газотрубинен компресор (турбокомпресор), който е малък по обем и тегло, и се грижи за задвижването на налягането, с което отработените газове излизат през изпускателната тръба.
А от едната страна е монтирана турбината на компресора (помпено колело), а от другата страна в един корпус, се намира турбината, която е задвижвана на нагорещените газове, излизащи от изпускателния колектор.
Маслената система на двигателя се грижи за вала и неговото смазване. Помпеното колело засмуква въздух през въздушния филтър по време на своето въртене, което е с над 100 хил. оборота. Под не особено високо налягане успява да го нагнети в смукателния колектор. Така се увеличава с около 20-40% мощността на двигателя.
Само когато се изисква повишена мощност на двигателя, започва да работи турбокомпресорът като за целта изпускателната тръба има клапа, която дава възможност на газовете да излизат в атмосферата или да минават през турбината. Турбокомпресорите се използват най-много при дизеловите двигатели (TD – турбо-дизел).
Ако двигателят се изключва, когато е на високи обороти, това е вредно за турбокомпресора. По инерция валът продължава да се върти, а в този момент налягането на маслото, което го маже, ще е спаднало до нула.
