Строение двигатель: блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун

блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун

Для будущего автомобильного механика, диагноста устройство двигателя автомобиля является одной из ключевых тем. Именно двигатель обеспечивает транспортное средство энергией, которая нужна для его движения. 

Чаще всего механизм запуска устройства двигателя автомобиля возможен за счёт применения бензина или дизеля (дизельного топлива). Сгораемое внутри мотора топливо продуцирует тепло, что приводит к увеличению температуры газов внутри цилиндра двигателя и росту давления газов. Подвижные части двигателя под их влиянием вступают в работу, и тепловая энергия преображается в механическую.

Базовые части двигателя

Чтобы хорошо понимать устройство двигателя автомобиля, важно разбираться, что из себя представляет блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун.

Блок 

Металлическую основу мотора, остов называют блоком. Это корпусная деталь. Именно к блоку крепятся механизмы и отдельные части мотора и его систем.

Иногда можно встретиться с термином «блок», иногда – с терминами «блок двигателя», «блок цилиндров». Всё это одно и тоже.
Блок двигателя берёт на себя серьёзные нагрузки. Поэтому контроль качества при его изготовлении должен быть предельно высок. Огромное внимание уделяется как материалу, так и уровню точности изготовления детали. Для производства используются высокоточные станки.

Раньше блоки изготавливали из перлитного чугуна с легирующими добавками. Популярность чугуна при изготовлении блоков легко объяснима тем, что материал износостоек, стабилен по своим свойствам, малочувствителен к перегреву, адаптивен к ремонту. Сейчас некоторые производители также выпускают блоки из алюминиевого, магниевого сплава. В этом случае есть выигрыш, связанный с весом мотора. Это очень актуально для блоков моторов спорткаров.

Цилиндр 

Рядом с понятием «блок» стоит понятие «цилиндр». Под цилиндром подразумевается цилиндрическое отверстие, высверленное в блоке.  То есть это рабочая камера объёмного вытеснения.

Уплотнение верхней стороны цилиндра обеспечивает головка. Именно в ней находятся: 

• Клапаны. Обеспечивают (в процессе открытия-закрытия) поступление в цилиндр воздуха, топливовоздушной смеси. Также среди функций клапанов обеспечивают очистку камеры сгорания цилиндра от отработавших (выхлопных) газов. Закрытие клапанов и удержание их в таком состоянии обеспечивают клапанные пружины.
• Распредвалы (элементы привода клапанов). От них зависит то, как открываются клапаны, сколько времени они находятся в открытом состоянии
• Механизмы привода клапанов. Функция идентична. И, как видно, из названия – это привод клапанов. Но сами механизмы могут быть разными. Всё зависит от мотора: например, бензиновый, дизельный.

Цилиндр играет роль направляющего для поршня.

Поршень, поршневые кольца и шатун

Цилиндрическая деталь или совокупность деталей, которая преобразует энергию горения топливо в механическую энергию, называется поршнем.

В проточках на боковой поверхности поршня вставлены поршневые кольца. Благодаря им между поршнем и стенкой цилиндра создаётся уплотнение. Задача поршневых колец заключается в создании барьера для перетекания из камеры сгорания в картер коленчатого вала газов.

Среди задач поршня:

• Оказание силового воздействия на шатун.
• Отвод тепла от камеры сгорания.
• Герметизация камеры сгорания.

Подвижное соединение между поршнем и коленчатым валом обеспечивает шатун. Именно шатун передаёт силу движущегося поршня к вращающемуся коленчатому валу.

Коленчатый вал 

Коленчатый вал – это важная составляющая кривошипно-шатунного механизма. Кривошип коленчатого вала создает возвратно-поступательное движение поршня через шатун (подвижный элемент), то есть возвратно-поступательное движение поршня превращается в крутящий момент. Физически коленвал расположен в нижней части двигателя. Снизу коленвал прикрыт картером – самой внушительной неподвижной и полой частью двигателя, закреплённой на блоке сбоку. Визуально картер напоминает поддон.

Конструкция коленчатого вала состоит из несколько шеек (коренных и шатунных). Они соединены щеками, соединенных между собой щеками. Место перехода от шейки к щеке всегда является самым нагруженным у коленвала.

На коленчатый вал приходятся переменные нагрузки от сил давления газов.
Для того, чтобы не возникало осевых перемещений коленчатого вала, используется упорный подшипник скольжения. Он устанавливается на одной из шеек (средней или крайней).

Несколько важных терминов, касающихся устройства двигателя автомобиля

Камера сгорания –замкнутое пространство, где осуществляется воспламенение и горение топливовоздушной смеси. Сверху камера сгорания ограничена нижней поверхностью головки цилиндра, сбоку – стенками цилиндра, снизу –днищем поршня.
Толкатели клапанов, подъёмники –промежуточное звено, необходимое для передачи движения от распределительного вала к остальным частям механизма привода клапанов.

Коромысла (рокеры). Детали двигателя, функции которых заключаются в передаче движения от распределительного вала к клапанам.

Маховик. Деталь, ответственная за обеспечение равномерного вращения коленчатого вала. На цилиндрической устанавливается зубчатый венец. Он помогает провести пуск электростартера.

На схеме представлено расположение основных частей двигателя при рассмотрении его со стороны его задней части. На фланце коленчатого вала видны отверстия под болты, с помощью которых к фланцу крепится маховик с зубчатым венцом, или платина привода гидравлического трансформатора автоматической трансмиссии. Источник: Ford.

Автомобильные двигатели

Большинство двигателей автомобилей многоцилиндровые. Это значит при работе используется два или несколько цилиндров и два или несколько поршней.  

Автопром выпускает машины с 2-; 3-; 4-; 5-; 6; 8-; 10- и 12-цилиндровыми двигателями. 
Чем больше цилиндров у мотора, тем больше возможностей для увеличения мощности двигателя. Если нужен двигатель, предназначенный для езды по бездорожью либо машина, развивающая сверхвысокие скорости, актуально именно устройство двигателя автомобиля, ориентированное на большое количество цилиндров.

Устройство двигателя с большим количеством цилиндров обеспечивает отличную равномерность вращения коленчатого вала, ведь угол поворота коленчатого вала при 10, 12 цилиндрах – очень небольшой.

Но у 2-х цилиндровых двигателей есть другое преимущество: самые лучшие показатели топливной эффективности.

Циклы двигателя

Устройство двигателя автомобиля всегда рассматривается в купе с его рабочим циклом.
Физически цикл – это периодически повторяющиеся процессы в каждом его цилиндре. Достаточно подробно разница между работой четырёхтактного и двухтактного двигателя отражена в нашей статье о двигателе внутреннего сгорания.

Сегодня мы остановимся на работе четырёхтактных моторов. Именно по четырёхтактному циклу работает большинство современных автодвигателей. Хотя сам принцип двигателя был изобретён Николаусом Отто в 19-м веке.

Поршень четырёхтактного двигателя совершает нисходящее и восходящее движение. Эта работа укладывается в один оборот коленчатого вала. При втором обороте коленчатого вала вновь повторяют эти движения.

1. Такт впуска (всасывания). Поступление в цилиндр двигателя свежего заряда: воздуха- от дизельного мотора бензинового двигателя с прямым вспрыском или топливовоздушной смеси, от газово-топливного двигателя, мотора с распределенным или центральным впрыском топлива, или газо-топливные двигатели). В результате разрежения, созданного поршнем, перепад давления между давлением в цилиндре и давление окружающего воздуха, заряд втягивается непосредственно в цилиндр.

2. Такт сжатия. Шатун толкает поршень. Поршень сжимает газообразный свежий заряд в цилиндре. Устройство дизельного двигателя настроено на то, чтобы температура сжатых газов должна достигла температуры воспламенения топлива. Если же речь идёт об устройстве газо-топливного, бензинового двигателя температура в конце такта сжатия достигать температуры воспламенения топлива не должна. Воспламенение производится от электроискрового разряда свечи зажигания.

3. Такт рабочего хода.

 Температура газов в цилиндре снижается, энергия горящих газов преобразуется в механическую энергию.

4. Такт выпуска отработавших газов. Поршень движется снизувверх. Отработавшие газы выходят из цилиндра через выпускной клапан.

Устройство двигателя автомобиля устроено так, что четыре такта повторяются циклично. Посредством маховика механическая энергия превращается во вращательное движение коленвала.

Модульное обучение автоосновам доступно при изучении электронных программ по профессиям. Удобный дистанционный формат обучения.

Принцип работы и рабочие циклы двигателя автомобиля (ДВС)

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ).

Принцип работы ДВС — схематично

1. Впуск

По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

2. Сжатие

После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

3. Расширение или рабочий ход

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200^оС.

4. Выпуск

При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600^оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход

Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900^оС.

Выпуск

Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700^оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Значит после рабочего хода в первом цилиндре следующий происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Строение двигателей / Хабр

Недавно наткнулся на прекрасный сайт (англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде 🙂

А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.

Под четырьма тактами подразумеваются: впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск. Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki

Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема). Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.

Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.

В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.

• Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
• низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
• главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
• Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
• меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
• меньшее на 35-40 % число деталей

• Недостатки:
• Быстрый износ
• Склонности к перегреву
• Сложность в производстве
• Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.

На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Источники:
www.animatedengines.com

• Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
• Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
• The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
• Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
• Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
• Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
• Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
• Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
• Toyota Web site Prius specifications
• Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
• Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
• Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
• An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
• An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Как работает двигатель?

Важно ли понимать устройство двигателя для обычного пользователя автомобиля? Это как минимум необходимо для правильной эксплуатации мотора. Например, знаете ли вы про 9-цилиндровый мотор БМВ или что такое объем двигателя? За пять минут расскажем просто обо всем важном.

Виды моторов

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой достаточно сложную конструкцию. Существуют двух- и четырехтактные двигатели. Наиболее распространены 4-тактные моторы в автомобилях и мотоциклах. Двухтактники также могут применяться в транспорте, но чаще их используют для некоторых видов водных и даже воздушных судов. Двухтактные моторы устанавливают в мотокосах, бензопилах и прочем строительном бензоинструменте.

Конструкторы успели придумать такое множество агрегатов, попадающих под определение ДВС. Мы будем рассматривать наиболее привычные варианты. Рассмотрим 4-тактный мотор. Чтобы понять порядок и принципы его работы, разберемся, из чего он состоит:

• цилиндры, в которых располагаются поршни;
• коленчатый вал;
• газораспределительный механизм.

К этому добавим системы зажигания, подачи топлива и отвода отработанных газов, а также смазки и охлаждения двигателя.

Основные подходы к классификации силовых установок:

1. По количеству цилиндров.
2. По расположению цилиндров.
3. По виду топлива.

1. Цилиндров чаще всего бывает от одного до шести. Более мощные автомобили могут использовать, например, 8, 12 или 16 цилиндров.

2. В рядном двигателе цилиндры на коленчатом валу располагаются один за другим в ряд. Увеличить мощность двигателя без существенного изменения размеров можно путем удвоения количества цилиндров. При этом один ряд поршней располагается относительно второго ряда под углом 90 градусов. Такой тип двигателя называется V-образным. Существует еще и оппозитный тип мотора, когда два ряда поршней располагаются под углом 180 градусов. Такие двигатели, например, применяются в автомобилях Subaru. За счет особенностей расположения цилиндров автомобиль получает более низкий центр тяжести и вибрацию при работе, а также минимальную высоту капота.

3. ДВС может работать на бензине и дизтопливе. Отличие заключается в том, что в бензиновом моторе топливо подается смешанное с воздухом и зажигается с помощью искры от свечи. У дизельного мотора топливо и воздух подаются раздельно, воспламенение происходит от высокой температуры сжатого газа. Вместо бензина в двигателе со смешанным топливом может использоваться газ, например, метан.

В одной модели автомобиля часто используется целая линейка двигателей с разными характеристиками на выбор покупателя. Например, в популярной BMW 5-й серии (Е60) может использоваться рядный 4-цилиндровый дизельный двигатель (M47), рядный 6-цилиндровый турбодизель (М57) или мощный 10-цилиндровый бензиновый V-образник (S85).

А вот 9-цилиндровый двигатель БМВ ставили на самолеты, и располагались цилиндры относительно друг друга в виде звезды.

Порядок работы двигателя

Вернемся к двух- и четырехтактным двигателям. Конструкции двухтактных моторов могут сильно различаться и быть как проще, так и намного сложнее четырехтактных собратьев. За счет меньшего количества оборотов мощность двухтактников выше, но экономичность хуже. Маленькие по размерам и мощности моторы не требуют сложной системы охлаждения, масло для смазки добавляется непосредственно с топливом в камеру сгорания.

Один такт – это движение поршня внутри цилиндра вверх или вниз. Работа 4-тактного мотора состоит из:

• впуска;
• сжатия;
• рабочего хода;
• выпуска.

У двухтактной силовой установки впуск происходит во время сжатия (первый такт), а рабочий ход совмещен с выпуском отработанных газов (второй такт).

Теперь подробнее о четырехтактном процессе.

В цилиндре находится поршень, который с помощью шатуна крепится к коленвалу. Сверху цилиндра находятся впускные и выпускные клапаны, а также свеча. Внутренний объем всех цилиндров составляет так называемый объем двигателя.

Поршень может находиться в верхней точке цилиндра (верхняя мертвая точка), нижней (нижняя мертвая точка) или перемещаться между ними.

В первом такте открывается впускной клапан и поршень опускается. Таким образом, цилиндр наполняется либо смесью топлива и воздуха, либо только воздухом (для дизельного мотора).

Во втором такте поршень идет вверх, сжимая содержимое и параллельно увеличивая его давление и температуру. В конце такта свеча зажигания создает искру, в результате чего происходит детонация топливной смеси в бензиновом двигателе. В дизельном же свеча не используется, а топливо подается в последний момент такта, которое возгорается за счет высокого давления и температуры воздуха.

В третьем и основном такте работы мотора высвобождаемая от взрыва энергия двигает поршень вниз. Именно в этот момент создается сила, которая заставляет коленчатый вал вращаться, а от него вращается и маховик двигателя.

На четвертом такте поршень поднимается к верхней мертвой точке при открытом выпускном клапане. При этом удаляются отработанные газы. Далее цикл из четырех тактов повторяется.

Если в двигателе используется несколько цилиндров, движение их поршней управляется газораспределительным механизмом таким образом, чтобы цилиндры одновременно находились на разных тактах. Систем управления газораспределением существует несколько − от механических распредвалов до электронных процессоров.

Все движимые детали обязательно должны охлаждаться и смазываться. Температура в момент детонации достигает нескольких тысяч градусов. Охлаждение, как правило, производится с помощью жидкости, которая отбирает тепло у деталей двигателя. Далее жидкость сама должна охладиться и снова вернуться в мотор. Превышение допустимых температур может привести к практически моментальному разрушению силовой установки.

В легковых автомобилях количество оборотов коленвала может достигать восьми тысяч в минуту. Для минимизации механического износа система смазки должна работать идеально. Поэтому важно следить за уровнем моторного масла и работоспособностью масляного насоса. Системы смазки и охлаждения могут страдать из-за загрязнения, что ведет к сужению или перекрытию каналов движения жидкостей.

Турбированные моторы & атмосферные: устройства и принцип работы | Справочная информация

Классические бензиновые и дизельные силовые агрегаты в последние несколько лет стали сдавать позиции лидеров в автомобилестроении. На смену им и в дополнение приходят турбированные и атмосферные двигатели, которые всего пару десятилетий назад можно было встретить только на гоночных болидах.

Сегодня очень часто при выборе современных моделей транспортных средств, автолюбители не знают, на каком силовом агрегате лучше всего остановиться — купить автомобиль с «атмосферником» или турбиной? У каждого из этих механизмов есть свои специфические особенности, а также плюсы и минусы в эксплуатации.

Устройство и принцип работы турбированного двигателя

Турбированный силовой агрегат считается одним из самых старых среди двигателей внутреннего сгорания, так как был придуман почти столетие назад. Принцип его работы заключается в том, в цилиндры подается увеличенное количество воздуха, для этого используется нагнетающее устройство – турбокомпрессор («турбина»). Это создает лучшие условия для сгорания топлива и, соответственно, увеличивает мощность двигателя.

По принципу работы турбированный двигатель не отличается от обычного атмосферного двигателя. А нагнетание дополнительного воздуха позволяет эффективнее использовать полный объем поступающей горючей смеси, что положительно сказывается на динамических характеристиках автомобиля.

Турбокомпрессор использует для работы энергию выхлопных газов. Он подсоединяется к выхлопной системе, в результате чего часть отработанных газов поступает на лопасти турбины и вращает крыльчатку компрессора.

Для охлаждения силового агрегата с турбокомпрессором используют интеркуллер. Это обычный радиатор, но вместо охлаждающей жидкости в нем циркулирует воздух.

Достоинства турбодвигателя

Главный козырь турбированных силовых агрегатов — это, конечно же, их высокая мощность. Двигатели с турбокомпрессором по динамике разгона значительно превосходят своих атмосферных «собратьев» при одинаковом объеме. При этом потребление топлива увеличивается ненамного, так как турбина использует энергию уже отработавших газов, а не тратит горючее на создание новых.

Еще одно достоинство турбированного агрегата – снижение содержания вредных газов в выхлопе, поскольку топливовоздушная смесь сгорает значительно эффективнее. Кроме того, мотор с турбокомпрессором работает менее шумно, чем «атмосферник».

Недостатки турбодвигателя

В отличие от атмосферного двигателя, турбодвигатель очень привередлив к качеству потребляемого горючего. Если не контролировать этот вопрос, то турбина очень скоро может выйти из строя. Кроме того, из-за специфики конструкции двигатели с турбонаддувом следует прогревать в любое время года.

Этот тип силовых агрегатов нуждается в особой заботе в вопросах использования смазочных материалов. Обычные минеральные и синтетические масла категорически запрещается заливать в двигатель с турбиной. Для них предназначаются специальные виды масел, которые достаточно дорого стоят. Кроме того, как отмечают специалисты автосервиса Favorit Motors, замена масла рекомендуется каждые 10 тысяч километров (при эксплуатации в городских условиях).

Устройство и принцип работы атмосферного двигателя

Система запитывания атмосферного двигателя основана на инжекторном или карбюраторном механизме. Топливовоздушная смесь формируется в строгой пропорции: 1 часть бензина + 14 частей воздуха.

Принцип работы «атмосферника» заключается в том, что топливо впрыскивается в цилиндр без сопротивления. Это стало возможным благодаря сложным и тонким настройкам в распределительном валу, который открывает впускающий клапан. После впрыска смесь сгорает, а выделившиеся газы приводят в движение поршни.

Атмосферный двигательный аппарат назван так потому, что давление воздуха при попадании в мотор, равняется одной атмосфере. В его конструкции не используются турбонагнетатели, он функционирует при стандартном атмосферном давлении.

Преимущество в использовании атмосферного двигателя заключается в том, что на каких бы оборотах он не работал в данный момент, у него всегда будет определенный запас мощности. Это позволяет максимально быстро ускоряться при любой начальной скорости движения. До максимально возможного количества оборотов атмосферный силовой агрегат «раскрутится» за считанные секунды.

Достоинства атмосферного двигателя

Рано или поздно даже самый надежный мотор может потребовать вложений и качественного ремонта. Атмосферный агрегат имеет более простое строение, чем турбированный мотор, а потому и проведение ремонтных работ обойдется дешевле.

Срок службы атмосферника гораздо выше, чем у турбированного мотора. Это обусловлено более мягкими условиями эксплуатации и отсутствием повышенных нагрузок. Поэтому рабочий ресурс атмосферного двигателя в среднем вдвое выше, чем у турбины.

В качестве приятного бонуса для автовладельцев специалисты ГК Favorit Motors могут привести следующий факт. Атмосферные агрегаты не требуют постоянно контроля смазки и менее требовательны к качеству используемых масел. В их конструкции отсутствуют устройства, которые нуждаются в дополнительной смазке. Это же касается и выбора топлива: атмосферный двигательный агрегат менее требователен к качеству горючего. Кроме того, замена смазочной жидкости производится реже — каждые 15-20 тысяч километров пробега.

И еще один плюс «атмосферника». Российские водители уже смогли убедиться, что атмосферный силовой агрегат даже зимой прогревается быстрее, чем его турбированный собрат.

Недостатки атмосферного двигателя

Самым главным минусом такого двигателя можно считать отсутствие высоких крутящих моментов. Атмосферный агрегат проигрывает турбированному в плане мощности. Такой автомобиль будет идеальным для неспешных поездок по городу, но в качестве трассового авто для молодежных гонок явно не подойдет.

Расход топлива для такого двигателя будет достаточно высок. Как отмечают специалисты ГК Favorit Motors, в среднем автомобиль с атмосферным двигателем потребляет не менее 11-12 литров горючего на 100 километров пути.

Итоги

Выбирать автомобиль с турбированным или атмосферным агрегатом стоит, исходя из своих личных предпочтений и возможностей. У каждого из этих типов моторов есть свои плюсы и минусы. Турбодвигатель будет мощнее и динамичнее, однако требователен в уходе и обходится дороже. Атмосферный двигатель не такой мощный, зато гораздо дешевле в плане эксплуатации и ремонта.

В наличии в компании Favorit Motors имеется множество разных моделей автомобилей как с атмосферными двигателями, так и с турбированными. Компетентный персонал поможет подобрать автомобиль, исходя из пожеланий и предпочтений каждого клиента.

Как турбированный, так и атмосферный силовой агрегат со временем может начать работать с перебоями или вообще отказать. Современные модели автомобилей оснащены высокотехнологичными электронными системами управления двигателем, поэтому диагностику и ремонт моторов следует выполнять только в специализированных автосервисах.

Автосервис Favorit Motors оснащен полным комплексом диагностического и ремонтного оборудования для диагностики и устранения неисправностей турбированных и атмосферных силовых агрегатов. Для обслуживания и ремонта здесь используются только качественные сертифицированные запчасти, а мастера техцентра обладают многолетним опытом работ. Все операции выполняются в соответствии с технологическими картами заводов-изготовителей, что обеспечивает высокое качество и сжатые сроки ремонта. На все детали и ремонтно-восстановительные работы предоставляется гарантия.

Специалисты компании Favorit Motors напоминают, что своевременное регламентное обслуживание способно значительно продлить срок эксплуатации силового агрегата. Необходимо регулярно менять масло в соответствии с пробегом и устранять выявленные неисправности.

Подборка б/у автомобилей Skoda Octavia

---

Особенности двигателя TSI в автомобилях Volkswagen

Силовыми агрегатами TSI комплектуются все современные модели Volkswagen. Аббревиатура от Turbo Stratified Injection обозначает двигатель, в котором впрыск топлива происходит непосредственно в цилиндр, а воздух нагнетается двойным турбонаддувом.

В результате эксплуатационные характеристики мотора более высокие, чем у двигателя с обычной турбиной, но из-за этого ему требуется более качественное обслуживание, которое нереально осуществить в кустарных условиях.

Этот тип двигателя самый популярный среди автомобилей Volkswagen. На Passat В8, Passat СС, Tiguan устанавливают сейчас (2016 года) только двигатели типа TSI. На  Golf и Jetta кроме TSI устанавливают также MPI. Единственная модель, которая не комплектуется TSI — Туарег.

Каким образом работает двойной турбонаддув?

Для понимания принципа действия двойного турбонаддува стоит рассмотреть, как формируется воздушно-топливная смесь на разных оборотах:

• до 2 400 об/мин работает исключительно механический компрессор, а турбокомпрессор простаивает, поскольку нет необходимости в дополнительной мощности и недостаточно давления выхлопных газов;
• от 2 400 до 3 500 об/мин для нагнетания воздуха подключается турбокомпрессор, но только если электроника регистрирует очень динамичное увеличение потребности в мощности, к примеру, при резком старте с места;
• от 3 500 об/мин и выше заслонка турбокомпрессора полностью открыта и он один работает на нагнетание воздуха.

В результате такого комплексного подхода становится возможным тонкое изменение мощности двигателя в большом диапазоне оборотов. Практически отсутствует «турбояма», которая характерна для силовых агрегатов с классической турбиной. В механическом нагнетателе используется редуктор, благодаря которому скорость вращения компрессора достигает 17 500 об/мин для наиболее эффективного давления в системе подачи воздуха.

Особенности охлаждения моторов TSI

Здесь применяется система охлаждения из двух контуров: один для головки блока цилиндров, а второй для самого блока. Количество охлаждающей жидкости в 2 раза больше в головке цилиндров, чтобы быстрее выполнялся прогрев и снижалась вероятность её перегрева, поскольку она изначально нагревается более интенсивно, чем блок цилиндров. Дополнительно система оснащена двумя термостатами, которые срабатывают при температуре в 80 и 95 °C.

Для охлаждения турбины используется еще более интересная схема. Дополнительный водяной насос с электроприводом охлаждает её в течение еще 15 мин. после остановки двигателя. В результате сложный механизм никогда не перегревается, что увеличивает его ресурс.

Недостатки технологии

Наибольшим минусом этих двигателей является их относительно плохой прогрев в холодное время года. Классическая схема разогрева на холостых оборотах в минусовую температуру малоэффективна — вам придётся долго ожидать тепла из дефлектора отопителя. В такую погоду на рабочую температуру мотор выходит достаточно долго даже при езде. К сожалению, такая плата за отменные рабочие параметры этих силовых агрегатов.

Рекомендации по эксплуатации

Любая вещь, созданная человеком, рано или поздно придёт в негодность и даже такие качественные двигатели не вечны. Однако если вы будете использовать качественные расходники и уделите пристальное внимание на состояние цепи ГРМ, то детище немецких инженеров не будет расстраивать вас форс-мажорными поломками в течение многих десятков тысяч километров.

Нюанс с долгим прогревом можно просто решить. Достаточно установить автономный предпусковой подогреватель мотора. Ведь такие приспособления уже не первое десятилетие используются в грузовиках и в нашем случае они помогут вам не мёрзнуть во время коротких зимних поездок.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Двигатель внутреннего сгорания — Конструкция двигателя внутреннего сгорания — цилиндр, топливо, коленчатый вал и поршень

В двигателях внутреннего сгорания

обычно используется возвратно-поступательное движение, хотя газовая турбина , ракетные и роторные двигатели являются примерами других типов двигателей внутреннего сгорания. Однако поршневые двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными и используются в большинстве автомобилей, грузовиков, мотоциклов и других машин с приводом от двигателя.

Самыми основными компонентами двигателя внутреннего сгорания являются цилиндр, поршень и коленчатый вал.К ним прикреплены другие компоненты, которые увеличивают эффективность возвратно-поступательного движения и преобразуют это движение во вращательное движение коленчатого вала. Топливо должно поступать в цилиндр, а выхлоп, образованный взрывом топлива, должен обеспечивать выход из цилиндра. Также необходимо произвести зажигание или зажигание топлива. В поршневом двигателе внутреннего сгорания это делается одним из двух способов.

Дизельные двигатели также называют двигателями сжатия, поскольку они используют сжатие для самовоспламенения топлива.Воздух сжимается, то есть выталкивается в небольшое пространство цилиндра. Сжатие вызывает нагревание воздуха; когда топливо попадает в горячий сжатый воздух, топливо взрывается. Давление , создаваемое сжатием, требует, чтобы дизельные двигатели были более прочными и, следовательно, тяжелее, чем бензиновые двигатели, но они более мощные и требуют менее дорогостоящего топлива. Дизельные двигатели обычно используются в больших транспортных средствах, таких как грузовики и тяжелая строительная техника, или в стационарных машинах.

Бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием, потому что они зависят от искры электричества, которая вызывает взрыв топлива в цилиндре. Этот газовый двигатель легче дизельного двигателя и требует более очищенного топлива.

В двигателе цилиндр размещен внутри блока цилиндров, достаточно прочного, чтобы сдерживать взрывы топлива. Внутри цилиндра находится поршень, который точно соответствует цилиндру. Поршни обычно имеют куполообразную форму вверху и полую внизу.Поршень прикреплен через шатун, установленный в полой нижней части, к коленчатому валу, который преобразует движение поршня вверх и вниз в круговое движение. Это возможно, потому что коленчатый вал не прямой, а имеет изогнутую часть (по одной на каждый цилиндр), называемую кривошипом.

Аналогичная конструкция приводит в движение велосипед. При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека похожа на поршень. От колена до стопы нога действует как шатун, который прикрепляется к коленчатому валу с помощью кривошипа или педального узла велосипеда.Когда сила прикладывается к верхней части ноги, эти части начинают двигаться. Возвратно-поступательное движение голени преобразуется во вращательное или вращательное движение коленчатого вала.

Обратите внимание, что при езде на велосипеде нога делает два движения, одно вниз и одно вверх, чтобы завершить цикл вращения педалей. Это так называемые удары. Поскольку двигатель также должен всасывать топливо и снова выпускать топливо, большинство двигателей используют четыре хода для каждого цикла, который совершает поршень. Первый ход начинается, когда поршень оказывается в верхней части цилиндра, называемой головкой цилиндра.По мере его опускания в цилиндре создается вакуум . Это потому, что поршень и цилиндр образуют герметичное пространство. Когда поршень опускается, пространство между ним и головкой блока цилиндров увеличивается, а количество воздуха остается прежним. Этот вакуум помогает подавать топливо в цилиндр, подобно действию легких. Поэтому этот ход называется тактом впуска.

Следующий ход, называемый тактом сжатия, происходит, когда поршень снова подталкивается вверх внутри цилиндра, сжимая или сжимая топливо в более тесное и тесное пространство.Сжатие топлива в верхней части цилиндра вызывает нагревание воздуха, что также нагревает топливо. Сжатие топлива также облегчает воспламенение и делает взрыв более мощным. У расширяющихся газов взрыва меньше места, а это означает, что они будут сильнее давить на поршень, чтобы уйти.

В верхней части такта сжатия топливо воспламеняется, вызывая взрыв, который толкает поршень вниз. Этот ход называется рабочим ходом, и это ход, при котором вращается коленчатый вал.Последний такт, такт выпуска, снова поднимает поршень вверх, что выталкивает выхлопные газы, образовавшиеся в результате взрыва, из цилиндра через выпускной клапан. Эти четыре удара также обычно называют «сосание, сжатие, удар и удар». Двухтактные двигатели исключают такты впуска и выпуска, комбинируя их с тактами сжатия и увеличения мощности. Это позволяет создать более легкий и мощный двигатель — по сравнению с размером двигателя — требующий менее сложной конструкции. Но двухтактный цикл — менее эффективный метод сжигания топлива.Остаток несгоревшего топлива остается внутри цилиндра, что препятствует сгоранию. Двухтактный двигатель также воспламеняет топливо в два раза чаще, чем четырехтактный двигатель, что увеличивает износ деталей двигателя. Поэтому двухтактные двигатели используются в основном там, где требуется двигатель меньшего размера, например, на некоторых мотоциклах, и с небольшими инструментами.

Для горения требуется присутствие кислорода, поэтому для воспламенения топливо необходимо смешать с воздухом. В дизельных двигателях топливо подается непосредственно для реакции с горячим воздухом внутри цилиндра.Однако двигатели с искровым зажиганием сначала смешивают топливо с воздухом вне цилиндра. Это делается либо через карбюратор, либо через систему впрыска топлива. Оба устройства испаряют бензин и смешивают его с воздухом в соотношении , что составляет примерно 14 частей воздуха на каждую часть бензина. Дроссельная заслонка в карбюраторе регулирует количество воздуха, смешиваемого с топливом; на другом конце дроссельная заслонка контролирует, сколько топливной смеси будет отправлено в цилиндр.

Вакуум, создаваемый при движении поршня вниз по цилиндру, втягивает топливо в цилиндр.Поршень должен точно входить в цилиндр, чтобы создать этот вакуум. Резиновые компрессионные кольца, вставленные в канавки поршня, обеспечивают герметичность посадки. Бензин поступает в цилиндр через впускной клапан. Затем бензин сжимается в цилиндр следующим движением поршня в ожидании воспламенения.

Двигатель внутреннего сгорания может иметь от одного до двенадцати или более цилиндров, которые действуют вместе в точно рассчитанной по времени последовательности для приведения в движение коленчатого вала.Велосипедиста на велосипеде можно описать как двухцилиндровый двигатель, в котором каждая нога помогает другой создавать мощность для управления велосипедом и подтягивать друг друга в цикле движений. Автомобили обычно имеют четырех-, шести- или восьмицилиндровые двигатели, хотя также доступны двух- и двенадцатицилиндровые двигатели. Количество цилиндров влияет на рабочий объем двигателя, то есть на общий объем топлива, прошедшего через цилиндры. Больший рабочий объем позволяет сжигать больше топлива, создавая больше энергии для привода коленчатого вала.

Искра попадает через свечу зажигания, расположенную в головке блока цилиндров. Искра вызывает взрыв бензина. Свечи зажигания содержат два конца из металла , называемые электродами, которые проходят вниз в цилиндр. У каждого цилиндра своя свеча зажигания. Когда через свечу зажигания проходит электрический ток , ток перескакивает с одного электрода на другой, создавая искру.

Этот электрический ток исходит от батареи . Однако ток батареи недостаточно силен, чтобы вызвать искру, необходимую для воспламенения топлива.Поэтому он проходит через трансформатор , который значительно увеличивает его напряжение или силу. Затем ток можно направить на свечу зажигания.

Однако в случае двигателя с двумя или более цилиндрами искра должна направляться в каждый цилиндр по очереди. Последовательность срабатывания цилиндров должна быть рассчитана таким образом, чтобы, пока один поршень находился в рабочем такте, другой поршень находился в такте сжатия. Таким образом, сила, действующая на коленчатый вал, может поддерживаться постоянной, что позволяет двигателю работать плавно.Количество цилиндров влияет на плавность работы двигателя; чем больше цилиндров, тем постояннее усилие на коленчатом валу и тем плавнее будет работать двигатель.

Время срабатывания цилиндров регулируется распределителем. Когда ток поступает в распределитель, он направляется к свечам зажигания через провода, по одному на каждую свечу зажигания. Механические распределители — это, по сути, вращающиеся роторы, которые по очереди подают ток в каждый провод. Электронные системы зажигания используют компьютерные компоненты для выполнения этой задачи.

В самых маленьких двигателях используется аккумулятор, который при разряде просто заменяется. Однако в большинстве двигателей предусмотрена возможность перезарядки аккумулятора, используя движение вращающегося коленчатого вала для выработки тока обратно в аккумулятор.

Поршень или поршни давят на коленчатый вал и тянут вверх, вызывая его вращение. Это преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала возможно, потому что для каждого поршня коленчатый вал имеет кривошип, то есть секцию, установленную под углом к движению вверх и вниз положения .На коленчатом валу с двумя или более цилиндрами эти кривошипы также установлены под углом друг к другу, что позволяет им работать согласованно. Когда один поршень толкает кривошип вниз, второй кривошип толкает его поршень вверх.

Большое металлическое колесо, похожее на маховик, прикреплено к одному концу коленчатого вала. Он поддерживает постоянное движение коленчатого вала. Это необходимо для четырехтактного двигателя, поскольку поршни совершают рабочий ход только один раз на каждые четыре хода.Маховик обеспечивает импульса для переноса коленчатого вала во время его движения до тех пор, пока он не получит следующий рабочий ход. Он делает это с помощью инерции, то есть принципа, согласно которому движущийся объект будет стремиться оставаться в движении. Как только маховик приводится в движение поворотом коленчатого вала, он продолжает двигаться и вращать коленчатый вал. Однако чем больше цилиндров в двигателе, тем меньше ему нужно будет полагаться на движение маховика, потому что большее количество поршней будет поддерживать вращение коленчатого вала.

После того, как коленчатый вал вращается, его движение можно адаптировать для самых разных целей путем присоединения шестерен , ремней или других устройств. Колеса можно заставить вращаться, пропеллеры можно заставить вращаться, или двигатель можно использовать просто для выработки электроэнергии. К коленчатому валу также прикреплен дополнительный вал, называемый распределительным валом, который открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра в последовательности с четырехтактным циклом поршней. Кулачок — это колесо, имеющее более или менее форму яйца, с длинным и коротким концом.К распределительному валу крепится несколько кулачков в зависимости от количества цилиндров двигателя. Сверху кулачков установлены толкатели, по два на каждый цилиндр, которые открывают и закрывают клапаны. Когда распределительный вал вращается, короткие концы позволяют толкателям отводить назад от клапана, заставляя клапан открываться; длинные концы кулачков толкают стержни назад к клапану, снова закрывая его. В некоторых двигателях, называемых двигателями с верхним расположением кулачка, распределительный вал опирается непосредственно на клапаны, что устраняет необходимость в узле толкателя.Двухтактные двигатели, поскольку впуск и выпуск достигаются за счет движения поршня над портами или отверстиями в стенке цилиндра, не требуют распределительного вала.

Коленчатый вал может приводить в действие еще два компонента: системы охлаждения и смазки. Взрыв топлива создает сильное тепло, которое быстро приведет к перегреву двигателя и даже к расплавлению, если он не будет должным образом рассеян или отведен. Охлаждение достигается двумя способами: через систему охлаждения и, в меньшей степени, через систему смазки.

Есть два типа систем охлаждения. В системе жидкостного охлаждения используется воды , которую часто смешивают с антифризом для предотвращения замерзания. Антифриз снижает температуру замерзания, а также повышает точку кипения на воды. Вода, которая очень хорошо собирает тепло, прокачивается вокруг двигателя через ряд каналов, содержащихся в рубашке. Затем вода циркулирует в радиаторе, который содержит множество трубок и тонких металлических пластин, увеличивающих площадь поверхности воды.Вентилятор, прикрепленный к радиатору, пропускает воздух по трубке, дополнительно снижая температуру воды на . И насос, и вентилятор приводятся в действие движением коленчатого вала.

В системах с воздушным охлаждением для отвода тепла от двигателя используется воздух, а не вода. В большинстве мотоциклов, многих небольших самолетов и других машин, движение которых производит большое количество ветра , используются системы с воздушным охлаждением. В них металлические ребра прикреплены к внешней стороне цилиндров, создавая большую площадь поверхности; когда воздух проходит через ребра, тепло, передаваемое к металлическим ребрам от цилиндра, уносится воздухом.

Смазка двигателя жизненно важна для его работы. Движение частей друг относительно друга вызывает сильное трение , которое нагревает и вызывает износ деталей. Смазочные материалы, например масло, образуют тонкий слой между движущимися частями. Прохождение масла через двигатель также помогает отводить часть выделяемого тепла.

Коленчатый вал в нижней части двигателя упирается в картер. Он может быть заполнен маслом, или отдельный масляный поддон под картером служит резервуаром для масла.Насос подает масло по каналам и отверстиям к различным частям двигателя. Поршень также оснащен резиновыми маслосъемными кольцами в дополнение к компрессионным кольцам для перемещения масла вверх и вниз по внутренней части цилиндра. В двухтактных двигателях масло используется в составе топливной смеси, что обеспечивает смазку двигателя и устраняет необходимость в отдельной системе.

Устройство и принцип действия двигателей -Английский

Устройство и принцип действия двигателей Мы широко используем тепловые двигатели с момента их изобретения в 17 веке.Есть много видов двигателей, и они используются в нашей жизни. На этом занятии представлены конструкция, принцип и характеристики тепловых двигателей и источника энергии. Поршневой паровой двигатель Поршневой паровой двигатель — первый двигатель, получивший практическое применение. Этот двигатель получает механическую мощность за счет статического давления пара. После промышленной революции он долгое время использовался в качестве источника энергии для промышленности и транспорта.Но его заменяют двигатели внутреннего сгорания, и в настоящее время он не используется. Обычно паровой двигатель состоит из котла, нагревателя, поршня, цилиндра, конденсатора и водяного насоса, как показано на правом рисунке. Впускной и выпускной клапаны расположены в верхней части цилиндра. Двигатель Стирлинга Двигатель Стирлинга состоит из двух поршней, как показано на правом рисунке. Это двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом, который многократно использует рабочий газ без какого-либо клапана.Запоминающейся характеристикой этого двигателя является то, что для получения высокого КПД используется регенератор. В те дни был изобретен двигатель, который назывался «Двигатель горячего воздуха» вместе с двигателем Эрикссон, описанным ниже. После многих разработок двигатели Стирлинга в настоящее время получают высокую мощность и высокий КПД за счет использования гелия или водорода под высоким давлением в качестве рабочего газа. Но этот двигатель еще не получил практического применения, потому что у него есть несколько проблем, таких как большой вес и высокая стоимость производства. Двигатель Эрикссон Дж. Эрикссон разработал несколько двигателей, модернизировав двигатель Стирлинга (в наши дни называемый двигателем горячего воздуха). Один из них сегодня называется движком Ericsson. Это двигатель внешнего сгорания с открытым циклом с двумя клапанами на подающем цилиндре и силовом цилиндре, как показано на правом рисунке. Также в большинстве двигателей, изобретенных Дж. Эриксоном, использовался регенератор. Бензиновый двигатель В настоящее время бензиновый двигатель (двигатель с искровым зажиганием) широко используется в качестве источника энергии для автомобилей.По принципу этого двигателя смесь топлива и воздуха сначала сжимается в цилиндре. А газ взрывается от свечи зажигания и генерирует выходную мощность. В качестве хороших характеристик двигателя может быть реализован двигатель меньшего размера и легкого веса, при этом возможны высокие обороты двигателя и большая мощность. Также обслуживание двигателя очень простое. Паровая турбина Паровая турбина имеет вращающиеся лопатки вместо поршня и цилиндра поршневого парового двигателя.Этот двигатель используется в качестве источника энергии на тепловых и атомных электростанциях. Паровая турбина использует динамическое давление пара и преобразует тепловую энергию в механическую, хотя поршневой паровой двигатель использует статическое давление пара. Оба двигателя используют энергию, полученную при расширении пара. Дизельный двигатель Дизельный двигатель (двигатель с воспламенением от сжатия) является двигателем внутреннего сгорания, а также бензиновым двигателем и широко используется в качестве источника энергии для кораблей и автомобилей.По принципу этого двигателя воздух поступает в цилиндр и сначала адиабатически сжимается до высокой температуры. Когда туман топлива впрыскивается в высокотемпературный цилиндр, он автоматически сгорает, и двигатель получает выходную мощность. Он может получить более высокий КПД, чем у бензинового двигателя, при высокой степени сжатия. Кроме того, этот двигатель имеет экономическое преимущество, потому что он может использовать в качестве топлива недорогие легкие и тяжелые нефтепродукты. Однако могут возникнуть такие проблемы, как сильные вибрации и шумы, а также увеличение веса двигателя из-за высокого давления в цилиндре. Газовая турбина По принципу газовой турбины рабочий газ (воздух) сжимается компрессором и сначала нагревается за счет энергии сгорания топлива. Рабочий газ становится высокой температуры и высокого давления. Двигатель преобразует энергию рабочего газа во вращающуюся энергию лопастей, используя взаимодействие между газом и лопастями. Как показано на рисунке ниже, существует два типа газовых турбин.Один — это тип открытого цикла (внутренний тип), а другой — тип замкнутого цикла (внешний тип). Основными компонентами обоих типов являются воздушный компрессор, камера сгорания и турбина. Газовая турбина может обрабатывать больший поток газа, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, поскольку в ней используется непрерывное сгорание. Тогда газовая турбина подходит как двигатель большой мощности. Газовая турбина для самолетов (называемая реактивным двигателем) использует это преимущество. Ракетный двигатель Ракетный двигатель получает газообразные продукты сгорания высокой температуры и высокого давления из топлива и окислителя в конбусторе.Газообразные продукты сгорания приобретают высокую скорость с адиабатическим расширением через сопло и выбрасываются в заднюю часть двигателя. Движущая сила получается за счет реакции высокоскоростного газа. Реактивный двигатель и ракетный двигатель получают движущую силу таким же образом, используя реакцию рабочего газа. Однако отличие от реактивного двигателя в том, что в ракетном двигателе содержится весь газ, включая сам окислитель. Тогда он может получить движущую силу, даже если нет воздуха, поэтому он используется как движущий источник энергии в космосе. Топливный элемент Вышеупомянутые тепловые двигатели меняют энергию топлива на механическую за счет тепловой энергии. С другой стороны, топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую. Топливный элемент состоит из анода и катода, разделенных слоем электролита. Когда топливо подается на анод, а окислитель подается на катод, он генерирует электрическую энергию.

Двигатель | Как работает автомобиль

двигатель сердце твоей машины. Это сложная машина, созданная для преобразования тепла от горения. газ в сила что поворачивает опорные колеса.

Цепь реакций, которые достигают этой цели, приводится в движение Искра , который воспламеняет смесь паров бензина и сжатого воздуха внутри герметичного на мгновение цилиндр и заставляет его быстро гореть. Вот почему машина называется двигатель внутреннего сгорания .Когда смесь сгорает, она расширяется, обеспечивая движение автомобилю.

Чтобы выдерживать большие нагрузки, двигатель должна быть прочная конструкция. Он состоит из двух основных частей: нижняя, более тяжелая часть — блок цилиндров, кожух основных движущихся частей двигателя; съемная верхняя крышка — это крышка цилиндра .

В головке блока цилиндров имеются каналы с регулируемыми клапанами, через которые воздух и топливо смесь поступает в баллоны и другие, через которые выделяются газы их горение исключены.

В блоке находится коленчатый вал , который преобразует возвратно-поступательное движение принадлежащий поршни в вращательное движение на коленчатом валу. Часто в блоке также размещаются распредвал , который управляет механизмами, открывающими и закрывающими клапаны в ГБЦ. Иногда распредвал находится в головке или монтируется над ней.

Самый простой и распространенный тип двигателя состоит из четырех вертикальных цилиндров, расположенных рядом друг с другом. Это известно как рядный двигатель .Автомобили с объемом более 2000 куб. См часто имеют шесть цилиндров в ряд.

Более компактный V-образный двигатель устанавливается в некоторые автомобили, особенно автомобили с восемью или 12 цилиндрами, а также некоторые с шестью цилиндрами. Здесь цилиндры расположены друг напротив друга под углом до 90 градусов.

Некоторые двигатели имеют горизонтально противоположные цилиндры . Они являются продолжением V-образного двигателя, угол которого увеличен до 180 градусов. Преимущества заключаются в экономии высоты, а также в некоторых аспектах баланса.

Цилиндры, в которых работают поршни, залиты в блок, как и крепления для вспомогательного оборудования, такого как фильтр для масла, которым смазывается двигатель, и насос для топлива. Масло резервуар , называется отстойник , крепится болтами под картер .

Музей истонского кольца | Устройство и работа двигателя

Устройство и работа двигателя

Конструкция двигателя

Если вы когда-либо заглядывали под капот современного легкового автомобиля, вы уже знаете, что современные автомобильные двигатели скрыты под крышками, кожухами, проводами, шлангами и сложными системами управления, которые не позволяют увидеть внутреннюю работу двигателя (структуру) .

Чтобы облегчить понимание этой конструкции, мы представили рисунок, на котором показаны основные движущиеся части двигателя современного легкового автомобиля.

Поместите курсор мыши на каждое из названий компонентов.

• Шестерня распределительная

• Ремень ГРМ

• Распредвал

• Поршень

• Шатун

• Коленчатый вал

• Крышка подшипника

• Стартер

• Маховик

• Клапан

• Пружина клапана

Цитируется из «Enjin ha kounatteiru エ ン ジ ン は こ う な っ て い る» (Grand Prix BOOK PUBLISHING CO.ООО,)

Работа двигателя

Мы начнем объяснение основных принципов работы двигателя с рассмотрения четырехтактного рабочего цикла двигателя. Эти четыре такта обычно называются (1) тактом впуска, (2) тактом сжатия, (3) тактом сгорания (расширения) и (4) тактом выпуска.

Давайте посмотрим, как работает типичный четырехтактный двигатель.

Цитируется из «Enjin ha kounatteiru エ ン ジ ン は こ う な っ て い る» (Grand Prix BOOK PUBLISHING CO.ООО,)

Поршень поднимается и опускается дважды (четыре хода) в течение цикла, всасывая окружающий воздух (смешанный с топливом), а затем сжигая его, образуя расширяющиеся газы, которые опускают поршень вниз, создавая мощность двигателя. Образующиеся газы могут достигать температуры более 800.

Теперь мы готовы взглянуть на поршневое кольцо и узнать о его важной функции в двигателе.

Базовая конструкция двигателей Makita

Базовая конструкция двигателей Makita

Как производитель двигателей MAN B&W, на долю которого в мире приходится более 80% судовых тихоходных двигателей, Makita Corporation в основном производит двигатели для океанских судов класса от 10 000 до 40 000 тонн.Это типично двухтактные дизельные двигатели с крейцкопфом. Благодаря надежности нашей технологии и безупречной репутации на протяжении многих лет, двигатели, выпускаемые корпорацией Makita, занимают лидирующую позицию в мире среди двигателей малого диаметра.

Основное направление низкооборотных двухтактных дизельных двигателей

На океанских судах дизельные двигатели широко используются. Дизельный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, в котором внутреннее сгорание достигается за счет того, что сжатый воздух в цилиндрах воздействует на топливо (тяжелое масло), и возникающая в результате мощность взрыва заставляет поршни вперед и назад генерировать энергию.Изменяя вращательное движение коленчатого вала с помощью упомянутой выше крейцкопфа и шатуна, возвратно-поступательное движение поршней поворачивает гребной винт, приводя в движение корабль. Чтобы повысить эффективность силовой установки корабля, необходим двигатель с высокой мощностью на меньшее количество оборотов. Чтобы добиться этого в судовых двигателях, были разработаны двигатели с более длинным ходом поршня, а для уменьшения возросшего бокового давления в цилиндрах была разработана и принята так называемая «крейцкопф», соединяющая поршень и шатун.Все двигатели, выпускаемые корпорацией Makita, также оснащены турбонагнетателем. За счет поступления большего количества кислорода создается высокая энергия сгорания, и в результате создается конструкция, в которой даже небольшой двигатель может иметь большую мощность.

В этой крейцкопфе находится конструкция, соединяющая поршень и шатун. Эти важные детали производятся самой Makita Corporation. На фотографии изображен коленчатый вал.
Выбор и настройка турбонагнетателей — важные процессы, которые напрямую влияют на работу двигателя.

В этой конструкции поршень и шатун соединены этой траверсой.

Самые важные детали производятся на собственных заводах Makita. На картинке изображен коленчатый вал.

Выбор и регулировка турбонагнетателей — важные процессы, определяющие производительность двигателя.

• Значение названий двигателей

  Буквы и цифры, используемые в названии каждого двигателя, обозначают конфигурацию и возможности двигателя.

• Процесс запуска судового двигателя

  Двигатель сначала запускается при перемещении поршней. В двигателе большого корабля вес поршней также измеряется в тоннах. Автомобильный двигатель можно запустить с помощью электродвигателя, но с судовым двигателем это невозможно. Ну так что ты делаешь? Ответ — использовать сжатый воздух. При правильном согласовании подачи сжатого воздуха высокого давления в цилиндры возникающее давление может даже сдвинуть поршни в несколько тонн, используемые в этих двигателях, которые затем переключаются с инерционного вращения на работу на топливе.Движение поршней в дизельном двигателе создает высокотемпературное состояние со сжатым воздухом в цилиндрах, и когда топливо впрыскивается, он сгорает (воспламеняется), и именно так генерируется энергия, позволяющая движение. Вот почему сначала должны прийти в движение поршни. Начальное движение происходит от давления сжатого воздуха.

• Процесс остановки судна

  На корабле нет тормозов. Так как же это остановить? Для подавляющего большинства судов снижение скорости связано с реверсированием гребного винта.Пропеллер напрямую связан с двигателем. Поэтому для остановки двигателя необходимо реверсивное вращение. Эта особенность переключения направления вращения двигателя с помощью трансмиссии отсутствует в автомобильных двигателях.

Разработка обобщенной модульной структуры моделирования для динамического моделирования двигателя

Автор (ы): Моатаз Али, Джон Дж.Москва

Филиал: Powertrain Control Res. Лаборатория Университета Висконсин-Мэдисон

Страницы: 10

Событие: Всемирный конгресс и выставка SAE 2002

ISSN: 0148-7191

e-ISSN: 2688-3627

Также в: Electronic Engine Control Technologies-PT-73, Electronic Engine Controls 2002: Engine Control, Neural Networks and Non-Linear Systems-SP-1689, SAE 2002 Transactions Journal of Engines-V111-3

Стандартная кластерная архитектура | Документация по Kubernetes Engine

---

Кластер является основой Google Kubernetes Engine (GKE): Kubernetes объекты, которые представляют ваши контейнерные приложения, все запускаются поверх кластер.

В GKE кластер состоит как минимум из одной плоскости управления и несколько рабочих машин назывались узлами . Эти плоскости управления и узловые машины запускают кластер Kubernetes система оркестровки.

На следующей диаграмме представлен обзор архитектуры для зональный кластер в ГКЭ:

Плоскость управления

Плоскость управления запускает процессы уровня управления, включая Kubernetes Сервер API, планировщик и контроллеры основных ресурсов.Жизненный цикл плоскость управления управляется GKE при создании или удалении кластер. Сюда входят обновления до версии Kubernetes, работающей на плоскость управления, которую GKE выполняет автоматически или вручную по вашему запросу, если вы предпочитаете выполнить обновление раньше, чем это предусмотрено автоматическим расписанием.

Плоскость управления и Kubernetes API

Плоскость управления — это единая конечная точка для вашего кластера. Все взаимодействия с кластером выполняются через вызовы Kubernetes API, а плоскость управления запускается процесс Kubernetes API Server для обработки этих запросов.Ты можешь сделать Kubernetes API вызывает напрямую через HTTP / gRPC или косвенно, путем выполнения команд. из клиента командной строки Kubernetes ( kubectl ) или взаимодействия с пользовательским интерфейсом в облачной консоли.

Серверный процесс API является центром всей связи для кластера. Все внутренние процессы кластера (такие как узлы кластера, система и компоненты, контроллеры приложений) все действуют как клиенты сервера API; сервер API единый «источник истины» для всего кластера.

Взаимодействие плоскости управления и узла

Плоскость управления отвечает за принятие решения о том, что выполняется на всех узлы. Это может включать планирование рабочих нагрузок, например контейнерных приложений, а также управление жизненным циклом, масштабированием и обновлением рабочих нагрузок. В Уровень управления также управляет сетевыми ресурсами и ресурсами хранения для этих рабочих нагрузок.

Уровень управления и узлы также обмениваются данными с помощью API Kubernetes.

Взаимодействие плоскости управления с gcr.Реестр контейнеров io

Когда вы создаете или обновляете кластер, образы контейнеров для Kubernetes программное обеспечение, работающее на плоскости управления (и узлы), извлекается из gcr.io Реестр контейнеров. Сбой в реестре контейнеров gcr.io может вызвать следующие виды отказов:

• Создание новых кластеров завершится ошибкой во время простоя.
• Обновление кластеров завершится ошибкой во время простоя.
• Сбои в выполнении рабочих нагрузок могут происходить даже без вмешательства пользователя, в зависимости от от специфики и продолжительности отключения.

В случае зонального или регионального отключения реестра контейнеров gcr.io, Google может перенаправить запросы в зону или регион, не затронутые отключением.

Чтобы проверить текущий статус сервисов Google Cloud, перейдите в Панель состояния Google Cloud.

Узлы

Кластер обычно имеет один или несколько узлов , которые являются рабочими машинами, которые запускать контейнерные приложения и другие рабочие нагрузки. Отдельные машины экземпляры ВМ Compute Engine, GKE создает от вашего имени, когда вы создаете кластер.

Каждый узел управляется с уровня управления, который получает обновления на каждом статус узла. Вы можете вручную управлять узлом жизненный цикл, или вы можете попросить GKE выполнить автоматический ремонт и автоматические обновления на узлах вашего кластера.

Узел запускает службы, необходимые для поддержки контейнеров, составляющих рабочие нагрузки вашего кластера. К ним относятся среда выполнения и Kubernetes. агент узла ( kubelet ), который взаимодействует с плоскостью управления и отвечает за запуск и запуск контейнеров, запланированных на этом узле.

В GKE также есть ряд специальных контейнеров, которые запускаются как агенты для каждого узла, чтобы обеспечить такие функции, как сбор журналов и подключение к сети внутри кластера.

Тип узловой машины

Каждый узел относится к стандартному типу компьютера Compute Engine. Тип по умолчанию — e2-средний . Вы можете выбрать другой тип машины при создании кластера.

Образы ОС узла

На каждом узле работает специализированный образ ОС для запуска ваших контейнеров.Ты можешь укажите, какой образ ОС используют ваши кластеры и пулы узлов.

Минимальная платформа ЦП

При создании кластера или пула узлов можно указать базовый план. минимальная платформа ЦП для своих узлов. Выбор конкретной платформы ЦП может быть выгодно для сложных рабочих нагрузок или рабочих нагрузок с интенсивными вычислениями. Для дополнительной информации, см. Минимальная платформа ЦП.

Распределяемые ресурсы узла

Некоторые ресурсы узла требуются для запуска GKE и Компоненты узла Kubernetes, необходимые для создания этого узла функционировать как часть вашего кластера.Таким образом, вы можете заметить несоответствие между общий ресурс вашего узла (как указано в документации по типу машины) и назначаемых ресурсов узла в GKE.

Поскольку на более крупных машинах обычно используется больше контейнеров (и, соответственно, больше Pods), количество ресурсов, которые GKE резервирует для Компоненты Kubernetes масштабируются вверх для более крупных машин. Узлы Windows Server также требует больше ресурсов, чем типичный узел Linux. Узлам нужны дополнительные ресурсы для учета работы ОС Windows и Windows Server компоненты, которые не могут работать в контейнерах.

Вы можете запросить ресурсы для своих модулей или ограничить их ресурсы. Применение. Чтобы узнать, как запросить или ограничить использование ресурсов для модулей, см. Управление ресурсами для контейнеров.

Чтобы проверить выделяемые узлу ресурсы, доступные в кластере, запустите следующую команду, заменив NODE_NAME именем узла, который вы хотите проверить:

  kubectl описать узел  NODE_NAME  | grep Allocatable -B 7 -A 6
  

Возвращенный вывод содержит поля Capacity и Allocatable с измерения для эфемерной памяти, памяти и процессора.

Порог выселения

Чтобы определить, сколько памяти доступно для модулей, вы также должны учитывать порог выселения. GKE резервирует дополнительные 100 МБ памяти на каждом узле для кубелет выселение.

Выделяемая память и ресурсы ЦП

Распределяемые ресурсы рассчитываются следующим образом:

ДОПУСТИМОЕ = ВМЕСТИМОСТЬ - ЗАрезервировано - ПОРОГ ВЫСЕЛЕНИЯ

Для ресурсов памяти GKE резервирует следующее:

• 255 МБ памяти для машин с объемом памяти менее 1 ГБ
• 25% первых 4 ГиБ памяти
• 20% следующих 4 ГиБ памяти (до 8 ГиБ)
• 10% следующих 8 ГиБ памяти (до 16 ГиБ)
• 6% из следующих 112 ГиБ памяти (до 128 ГиБ)
• 2% любой памяти свыше 128 ГиБ

Для ресурсов ЦП GKE резервирует следующее:

• 6% первой жилы
• 1% следующего ядра (до 2 ядер)
• 0.5% следующих 2 ядер (до 4 ядер)
• 0,25% любых ядер более 4 ядер

Выделяемые ресурсы локального эфемерного хранилища

Бета

Эта функция подпадает под условия предложений до GA. Условий использования Google Cloud Platform. Функции Pre-GA могут иметь ограниченную поддержку, а изменения функций до GA могут быть несовместимы с другими версиями до GA.Для получения дополнительной информации см. описания этапов запуска.

Начиная с GKE версии 1.10, вы можете управлять своим локальным эфемерные ресурсы хранения, как ресурсы процессора и памяти. Учить как сделать так, чтобы в ваших модулях были указаны запросы и ограничения на временное хранилище, и чтобы увидеть как они действуют, смотрите Местное эфемерное хранилище в документации Kubernetes.

GKE обычно настраивает свои узлы с единой файловой системой и периодическое сканирование. Эфемерное хранилище также может поддерживаться локальными твердотельными накопителями.В любом случае часть файловой системы зарезервирована для использования kubelet. В оставшаяся часть, называемая назначаемым локальным эфемерным хранилищем , доступна для использования в качестве временных ресурсов хранения.

Объем файловой системы, зарезервированный для kubelet и других компонентов системы. выдает:

ПОРОГ ВЫСЕЛЕНИЯ + СИСТЕМА-БРОНИРОВАНИЕ

Эфемерное хранилище, поддерживаемое загрузочным диском

По умолчанию временное хранилище поддерживается загрузочным диском узла.В этом случае порог выселения и размер резервирования системы определяются следующими формулы:

ПОРОГ ВЫКЛОНЕНИЯ = 10% * ОБЪЕМ ЗАГРУЗОЧНОГО ДИСКА

БРОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ = Мин. (50% * ОБЪЕМ ЗАГРУЗОЧНОГО ДИСКА , 6 ГБ + 35% * ОБЪЕМ ЗАГРУЗОЧНОГО ДИСКА , 100 ГБ)

Для приблизительного представления объема выделяемой эфемерной памяти. доступны по мере увеличения емкости загрузочного диска, см. следующий график:

Эфемерное хранилище, поддерживаемое локальными твердотельными накопителями

Зарезервированное пространство системы зависит от количества локальных SSD:

Количество локальные SSD	СИСТЕМА-БРОНИРОВАНИЕ (ГБ)
1	50
2	75
3 или более	100

Порог вытеснения аналогичен временному хранилищу, поддерживаемому загрузочным диском:

ПОРОГ ВЫСЕЛЕНИЯ = 10% * NUM-LOCAL-SSDS * 375 GB

Обратите внимание, что 375 ГБ — это емкость каждого локального SSD.