Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.
Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.
Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.
На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:
Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.
В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:
Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.
Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.
Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.
Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.
А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.
Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.
Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.
В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:
Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.
На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.
Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:
Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.
Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.
На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.
Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?
Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.
Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.
Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.
Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.
В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.
Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.
Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.
Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.
Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
Первый такт - такт впуска
Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.
Второй такт - такт сжатия
Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.
Третий такт - рабочий ход
Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.
Четвертый такт - такт выпуска
Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.
Газораспределительный механизм
Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.
Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.
Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.
Устройство КШМ
Поршень
Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.
Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.
Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.
Блок и головка цилиндров
Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.
Двигатель со встречным движением поршней - конфигурация двигателя внутреннего сгорания с расположением поршней в два ряда один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Коленвалы механически синхронизированы, причем выпускной вал вращается с опережением относительно впускного на 15-22°, мощность отбирается либо с одного из них, либо с обоих (например, при приводе двух гребных винтов или двух фрикционов). Компоновка автоматически обеспечивает прямоточную продувку - самую совершенную для двухтактной машины и отсутствие газового стыка.
Встречается и другое название этого типа двигателей - двигатель с противоположно-движущимися поршнями (двигатель с ПДП ).
Устройство двигателя со встречным движением поршней:
1 - впускной патрубок; 2 - нагнетатель; 3 - воздухопровод; 4 - предохранительный клапан; 5 - выпускной КШМ; 6 - впускной КШМ (запаздывает на ~20° от выпускного); 7 - цилиндр со впускными и выпускными окнами; 8 - выпуск; 9 - рубашка водяного охлаждения; 10 - свеча зажигания. изометрияНациональный университет кораблестроения
им. адм. Макарова
Кафедра ДВС
|
Тема 1. Сравнение ДВС с другими типами тепловых двигателей. Классификация ДВС. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в ДВС и их маркировка………………………………………………... | ||
|
Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без…………………………………………….. | ||
|
Тема 3. Основные конструктивные схемы разных типов ДВС. Конструктивные схемы остова двигателя. Элементы остова двигателя. Назначение. Общее строение и схема взаимодействия элементов КШМ ДВС……………………………………... | ||
|
Тема 4. Системы ДВС…………………………………………………... | ||
|
Тема 5. Допущения в идеальном цикле, процессы и параметры цикла. Параметры рабочего тела в характерных местах цикла. Сравнение разных идеальных циклов. Условия протекания процессов в расчетном и действительном циклах…………… | ||
|
Тема 6. Процесс наполнения цилиндра воздухом. Процесс сжатия, условия прохождения, степень сжатия и ее выбор, параметры рабочего тела при сжатии………………………………….. | ||
|
Тема 7. Процесс сгорания. Условия выделения и использования тепла при сгорании топлива. Количество воздуха необходимое для сгорания топлива. Факторы, влияющие на эти процессы. Процесс расширения. Параметры рабочего тела в конце процесса. Работа процесса. Процесс выпуска отработавших газов……………………………………………………. | ||
|
Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.. | ||
|
Тема 9. Наддув ДВС как способ повышения технико-экономических показателей. Схемы наддува. Особенности рабочего процесса двигателя с наддувом. Способы использования энергии отработавших газов…………………………………………………... | ||
|
Литература ……………………………………………………………… | ||
Двигатель внутреннего сгорания – это такой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания на поршень, возвратно-поступательное движение которого, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, приводящего в движение гребной винт, электрический генератор, насос или другой потребитель энергии.
ДВС можно классифицировать по следующим основным признакам:
– по роду рабочего цикла – с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении газов и со смешанным подводом теплоты, т. е. вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении газов;
– по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);
– по способу воздухоснабжения – с наддувом и без наддува. В четырехтактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью) всасывающим ходом поршня, а в двухтактных ДВС – продувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. Во всех ДВС с наддувом наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором. Двигатели с наддувом нередко называют комбинированными, так как помимо поршневого двигателя они имеют и компрессор, подающий воздух в двигатель при повышенном давлении;
– по способу воспламенения топлива – с воспламенением от сжатия (дизели) н с искровым зажиганием (карбюраторные к газовые);
– по роду применяемого топлива – жидкого топлива и газовые. К ДВС жидкого топлива относятся и многотопливные двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на различных топливах. К газовым ДВС относятся и двигатели с воспламенением от сжатия, в которых основное топливо газообразное, а жидкое топливо в небольшом количестве используется как запальное, т. е. для воспламенения;
– по способу смесеобразования – с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с внешним смесеобразованием, когда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием). Основные способы внутреннего смесеобразования – объемное, объемно-пленочное и пленочное ;
– по типу камеры сгорания (КС) – с неразделенными однополостными КС, с полуразделенными КС (КС в поршне) и разделенными КС (предкамерные, вихрекамерные и воздушно-камерные КС);
– по частоте
вращения коленчатого вала
n
– малооборотные (МОД) с n
до 240 мин -1 ,
среднеоборотные (СОД) с 240 < n
< 750 мин -1 ,
повышенной оборотности (ПОД) с 750
– по назначению – главные, предназначенные для привода судовых движителей (гребных винтов), и вспомогательные, приводящие в движение электрические генераторы судовых электростанций или судовые механизмы;
– по принципу действия – простого действия (рабочий цикл совершается только в одной полости цилиндра), двойного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра над и под поршнем) и с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях, с помещенным между ними рабочим телом);
– по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ) – тронковые и крейцкопфные. В тронковом двигателе силы нормального давления, возникающие при наклоне шатуна, передаются направляющей частью поршня – тронком, скользящим во втулке цилиндра; у крейцкопфного двигателя поршень не создает сил нормального давления, возникающих при наклоне шатуна, нормальное усилие создается в крейцкопфном соединении и передается ползунами на параллели, которые закреплены вне цилиндра на станине двигателя;
– по расположению цилиндров – вертикальные, горизонтальные, однорядные, двухрядные, У-образные, звездообразные и т. п.
Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:
– верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соответствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);
– ход поршня , т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;
– объем камеры сгорания (или сжатия ), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;
– рабочий объем цилиндра , который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками.
Марка дизеля дает представление о его типе и основных размерах. Маркировку отечественных дизелей осуществляют в соответствии с ГОСТ 4393-82 «Дизели стационарные, судовые, тепловозные и промышленные. Типы и основные параметры». Для маркировки приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр:
Ч – четырехтактный;
Д – двухтактный;
ДД – двухтактный двойного действия;
Р – реверсивный;
С – с реверсивной муфтой;
П – с редукторной передачей;
К – крейцкопфный;
Г – газовый;
Н – с наддувом;
1А, 2А, ЗА, 4А – степень автоматизации по ГОСТ 14228-80.
Отсутствие в условном обозначении буквы К означает, что дизель тронковый, буквы Р – дизель нереверсивный, а буквы Н – дизель без наддува. Цифры в марке перед буквами указывают число цилиндров, а после букв: число в числителе – диаметр цилиндра в сантиметрах, в знаменателе – ход поршня в сантиметрах.
В марке дизеля с противоположно движущимися поршнями указывают оба хода поршня, соединенных знаком «плюс», если ходы разные, или произведение «2 на ход одного поршня» при равенстве ходов.
В марке судовых дизелей производственного объединения «Брянский машиностроительный завод» (ПО БМЗ) дополнительно указывается и номер модификации, начиная со второй. Этот номер приводится в конце маркировки по ГОСТ 4393-82. Ниже приведены примеры маркировки некоторых двигателей.
12ЧНСП1А 18/20 – дизель двенадцатнцилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, автоматизированный по 1-й степени автоматизации, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см.
16ДПН 23/2 X 30 – дизель шестнадцатицилиндровый, двухтактный, с редукторной передачей, с наддувом, с диаметром цилиндра 23 см и с двумя противоположно движущимися поршнями, имеющими каждый ход 30 см,
9ДКРН 80/160-4 – дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см, четвертой модификации.
На некоторых отечественных заводах кроме обязательной по ГОСТу марки выпускаемым дизелям присваивают и марку заводскую. Например, заводской марке Г -74 (завод «Двигатель революции») соответствует марка 6ЧН 36/45.
В большинстве зарубежных стран маркировка двигателей не регламентируется стандартами, а фирмы-строители используют собственные системы условных обозначений. Но даже одна и таже фирма нередко меняет принятые обозначения. Все же необходимо отметить, что многие фирмы в условных обозначениях указывают основные размеры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня.
Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без.
Четырехтактный ДВС.
Четырехтактный ДВС На рис. 2.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).
Рис. 2.1. Принцип работы четырехтактного ДВС
1-й такт – впуск или наполнение . Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха (или рабочей смеси в карбюраторном двигателе) перед впускным патрубком р о. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r ), т. е, с углом опережения 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а" ), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а ) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр- Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания 20...45° после НМТ.
Углы опережения и запаздывания определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.
Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).
2-й такт – сжатие . При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n ) при высоком давлении, обеспечивающей качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол впрыска на номинальном режиме в МОД обычно равен 1...9°, а в СОД – 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с ) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е, воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.
3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z ), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошнпно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b ’ ), которое происходит с опережением 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, когда клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.
4-й такт – выпуск . Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.
Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.
Принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя отличается от дизеля тем, что рабочая смесь – топливо и воздух – приготовляется вне цилиндра (в карбюраторе) и поступает в цилиндр в период 1-го такта; смесь воспламеняется в районе ВМТ от электрической искры.
Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью a с zba (площадь с наклонной штриховкой, см, 4-й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления р о под поршнем), равную площади над кривой r " ma до горизонтальной линии, соответствующей давлению р о. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr" до горизонтальной линии р о. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т. е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов, В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям, В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной.
Двухтактный ДВС.
В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е, процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом (в дизелях) или горючей смесью (в карбюраторных и газовых двигателях). Предварительное сжатие воздуха или смеси происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется из цилиндра вместе с отработавшими газами через выпускные органы. В связи с этим подача продувочного или наддувочного компрессора должна быть достаточной, чтобы компенсировать эту утечку заряда.
Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны – в крышке цилиндра.
Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 2.2. Рабочий цикл имеет два такта.
1-й такт – ход поршня от НМТ (точка m ) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d"), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b " ), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с ). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр. Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск , продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива .
Рис. 2.2. Принцип работы двухтактного ДВС
2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z ) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b ), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа в цилиндре и выпускном коллекторе 4 . Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d ) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха р s в продувочном ресивере 2 .
Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива , его сгорание , расширение газов , выпуск отработавших газов , продувка и наполнение свежим зарядом . Во время этого такта осуществляется рабочий ход , обеспечивающий полезную работу.
Индикаторная диаграмма, представленная на рис. 2, одинакова как для дизеля без наддува, так и для дизеля с наддувом. Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md " b "с zbdm .
Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта.
Все схемы открываются в полный размер по клику.
Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», - два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) - встречные поршни, встречные цилиндры.
Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго - выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.
В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC - турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант - с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два - четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире - двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».
Мотор OPOC - образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело - тут позиции двухтактников традиционно слабы.
Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй - за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC - Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.
Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси - например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр - это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится... Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.
Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух - своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.
Профессор Лино Гуззелла также использовал идею накопления сжатого воздуха в отдельном резервуаре: один из клапанов открывает путь от баллона к камере сгорания. В остальном это обычный двигатель с турбонаддувом. Опытный образец построили на базе 0,75-литрового двигателя, предложив его как замену… 2-литровому атмосферному мотору.
Разработчик для оценки эффективности своего творения предпочитает сравнивать его с гибридными силовыми агрегатами. Причем при схожей экономии топлива (около 33%) конструкция Гуззеллы удорожает мотор всего лишь на 20% - сложная бензоэлектрическая установка обходится почти в десять раз дороже. Однако в тестовом образце топливо экономится не столько за счет наддува из баллона, сколько благодаря малому рабочему объему самого двигателя. Но перспективы у сжатого воздуха в работе обычного ДВС все же есть: его можно использовать для пуска мотора в режиме «старт-стоп» или для движения автомобиля на малых скоростях.
Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.
Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот - два рабочих цикла.
Первый показ шарового двигателя на Женевском автосалоне привлек всеобщее внимание. Концепция, безусловно, интересная - за работой 3D-модели можно наблюдать часами, пытаясь разобраться, как работает та или иная система. Однако за красивой идеей должно последовать воплощение в металле. А разработчик пока ни слова не говорит о хотя бы приблизительных значениях основных показателей агрегата - мощности, экономичности, экологичности. И, главное, о технологичности и надежности.
Роторно-лопастной двигатель изобрели чуть меньше века назад. И, наверное, еще долго не вспоминали бы о нем, не появись амбициозный проект российского народного автомобиля. Под капотом «ё-мобиля» пусть и не сразу, но должен появиться именно роторно-лопастной двигатель, да еще в паре с электромотором.
Вкратце о его устройстве. На оси установлены два ротора с парой лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями - один догоняет другой, смесь между лопастями сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы на следующем круге «подтолкнуть» соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней - сжатие, затем против часовой стрелки - рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта.
Очевидные преимущества конструкции - компактность, легкость и хороший КПД. Однако есть и проблемы. Из них главная - точная синхронизация работы двух роторов. Задача эта непростая, а решение должно быть недорогим, иначе «ё-мобиль» никогда не станет народным.
