теплове розширення
Поршневі двигуни внутрішнього згоряння
Класифікація ДВС
Основи пристрою поршневих ДВС
Принцип роботи
Принцип дії чотиритактного карбюраторного двигуна
Принцип дії чотиритактного дизеля
Принцип дії двотактного двигуна
Робочий цикл чотиритактного двигуна
Робочі цикли двотактних двигунів
Показники, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РОБОТУ ДВИГУНІВ
Середнє індикаторне тиск і індикаторна потужність
Ефективна потужність і середні ефективні тиску
Індикаторний ККД і питома індикаторний витрата палива
Ефективний ККД і питома ефективна витрата палива
Тепловий баланс двигуна
інновації
Вступ
Значне зростання всіх галузей народного господарства вимагає переміщення великої кількості вантажів і пасажирів. Висока маневреність, прохідність і пристосованість для роботи в різних умовахробить автомобіль одним з основних засобів перевезення вантажів і пасажирів.
Важливу роль відіграє автомобільний транспорт в освоєнні східних і нечорноземних районів нашої країни. Відсутність розвинутої мережі залізницьі обмеження можливостей використання річок для судноплавства роблять автомобіль головним засобом пересування в цих районах.
Автомобільний транспорт в Росії обслуговує всі галузі народного господарства і займає одне з провідних місць в єдиній транспортній системі країни. На частку автомобільного транспорту припадає понад 80% вантажів, що перевозяться всіма видами транспорту разом взятими, і більше 70% пасажирських перевезень.
Автомобільний транспорт створений в результаті розвитку нової галузі народного господарства - автомобільної промисловості, яка на сучасному етапі є одним з основних ланок вітчизняного машинобудування.
Початок створення автомобіля було покладено більше двохсот років тому (назва "автомобіль" походить від грецького слова autos - "сам" і латинського mobilis - "рухливий"), коли стали виготовляти "саморушні" вози. Вперше вони з'явилися в Росії. У 1752 р російський механік-самоучка селянин Л.Шамшуренков створив досить досконалу для свого часу "самобеглую коляску", що приводиться в рух силою двох чоловік. Пізніше російський винахідник І. П. Кулібін створив "самокатную візок" з педальним приводом. З появою парової машини створення саморушних возів швидко просунулася вперед. У 1869-1870 рр. Ж.Кюньо у Франції, а через кілька років і в Англії були побудовані парові автомобілі. Широке поширення автомобіля як траспортного засобупочинається з появою швидкохідного двигуна внутрішнього згоряння. У 1885 р Г.Даймлер (Німеччина) побудував мотоцикл з бензиновим двигуном, А в 1886 р К. Бенц - триколісний візок. Приблизно в цей же час в індустріально розвинених країнах (Франція, Великобританія, США) створюються автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння.
В кінці XIX століття в ряді країн виникла автомобільна промисловість. У царській Росії неодноразово робилися спроби організувати власне машинобудування. У 1908 р виробництво автомобілів було організовано на Російсько-Балтійському вагонобудівному заводі в Ризі. Протягом шести років тут випускалися автомобілі, зібрані в основному з імпортних частин. Всього завод побудував 451 легковий автомобільі невелика кількість вантажних автомобілів. У 1913 р автомобільний парк в Росії становив близько 9000 автомобілів, з них більша частина - закордонного виробництва. Після Великої Жовтневої соціалістичної революції практично заново довелося створювати вітчизняну автомобільну промисловість. Початок розвитку російського автомобілебудування відноситься до 1924 року, коли в Москві на заводі АМО були побудовані перші вантажні автомобілі АМО-Ф-15.
В період 1931-1941 рр. створюється багатосерійне і масове виробництво автомобілів. У 1931 р на заводі АМО почалося масове виробництво вантажних автомобілів. У 1932 р став до ладу завод ГАЗ.
У 1940 р почав виробництво малолітражних автомобілів Московський завод малолітражних автомобілів. Трохи пізніше був створений Уральський автомобільний завод. За роки післявоєнних п'ятирічок стали до ладу Кутаїський, Кременчуцький, Ульяновський, Мінський автомобільні заводи. Починаючи з кінця 60-х рр., Розвиток автомобілебудування характеризується особливо швидкими темпами. У 1971 р став до ладу Волзький автомобільний завод ім. 50-річчя СРСР.
За останні роки заводами автомобільної промисловості освоєні багато зразки модернізованої та нової автомобільної техніки, В тому числі для сільського господарства, будівництва, торгівлі, нафтогазової та лісової промисловості.
Двигун внутрішнього згорання
В даний час існує велика кількість пристроїв, що використовують теплове розширення газів. До таких пристроїв відноситься карбюраторний двигун, дизелі, турбореактивні двигуни і т.д.
Теплові двигуни можуть бути розділені на дві основні групи:
1. Двигуни із зовнішнім згоранням - парові машини, Парові турбіни, двигуни Стірлінга і т.д.
2. Двигуни внутрішнього згоряння. Як енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення набули двигуни внутрішнього згоряння, в яких процес згоряння
палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. На більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння.
Найбільш економічними є поршневі і комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Вони мають досить великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розміри і масу. Основним недоліком цих двигунів слід вважати зворотно-поступальний рух поршня, пов'язане з наявністю крівошатунного механізму, що ускладнює конструкцію і обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо при значних розмірах двигуна.
А тепер трохи про перші ДВС. Перший двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) був створений в 1860 р французьким інженером Етвеном Ленуаром, але ця машина була ще досить недосконалою.
У 1862 р французький винахідник Бо де Роша запропонував використовувати в двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл:
1. всмоктування;
2. стиснення;
3. горіння і розширення;
4. вихлоп.
Ця ідея була використана німецьким винахідником Н. Отто, побудував в 1878 р перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. ККД такого двигуна досягав 22%, що перевищувало значення, отримані при використанні двигунів всіх попередніх типів.
Швидке поширення ДВС в промисловості, на транспорті, в сільському господарстві та стаціонарної енергетиці була зумовлена низкою їх позитивних особливостей.
Здійснення робочого циклу ДВС в одному циліндрі з малими втратами і значним перепадом температур між джерелом теплоти і холодильником забезпечує високу економічність цих двигунів. Висока економічність - одне з позитивних якостей ДВС.
серед ДВС дизельв даний час є таким двигуном, який перетворює хімічну енергію палива в механічну роботу з найбільш високим ККД в широкому діапазоні зміни потужності. Це якість дизелів особливо важливо, якщо врахувати, що запаси нафтових палив обмежені.
До позитивних особливостей ДВС варто віднести також те, що вони можуть бути з'єднані практично з будь-яким споживачем енергії. Це пояснюється широкими можливостями отримання відповідних характеристик зміни потужності і крутного моменту цих двигунів. Розглянуті двигуни успішно використовуються на автомобілях, тракторах, сільськогосподарських машинах, тепловозах, судах, електростанціях і т.д., тобто ДВС відрізняються гарною пристосованістю до споживача.
Порівняно невисока початкова вартість, компактність і мала маса ДВС дозволили широко використовувати їх на силових установках, Що знаходять широке застосування і які мають невеликі розмірів моторного відділення.
Установки з ДВС мають велику автономністю. Навіть літаки з ДВС можуть літати десятки годин без поповнення пального.
Важливою позитивною якістю ДВС є можливість їх швидкого пуску в звичайних умовах. Двигуни, що працюють при низьких температурах, Забезпечуються спеціальними пристроями для полегшення і прискорення пуску. Після пуску двигуни порівняно швидко можуть приймати повне навантаження. ДВС володіють значним гальмівним моментом, що дуже важливо при використанні їх на транспортних установках.
Позитивною якістю дизелів є здатність одного двигуна працювати на багатьох пальному. Так відомі конструкції автомобільних багатопаливних двигунів, а також суднових двигунів великої потужності, Які працюють на різних паливах - від дизельного до котельного мазуту.
Але поряд з позитивними якостямиДВС мають ряд недоліків. Серед них обмежене в порівнянні, наприклад з паровими і газовими турбінами агрегатна потужність, високий рівень шуму, відносно велика частота обертання колінчастого вала при пуску і неможливість безпосереднього з'єднання його з провідними колесами споживача, токсичність вихлопних газів, зворотно-поступальний рух поршня, що обмежують частоту обертання і є причиною появи неврівноважених сил інерції і моментів від них.
Але неможливо було б створення двигунів внутрішнього згоряння, їх розвитку та застосування, якби не ефект теплового розширення. Адже в процесі теплового розширення нагріті до високої температуригази здійснюють корисну роботу. Внаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, різко підвищується тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня в циліндрі. А це-то і є та сама потрібна технологічна функція, тобто силовий вплив, створення великих тисків, яку виконує теплове розширення, і заради якої це явище застосовують у різних технологіях і зокрема в ДВС.
Внутрішнього згоряння. Його пристрій досить складне, навіть для професіонала.
При покупці автомобіля в першу чергу дивляться на характеристики двигуна. Ця стаття, допоможе розібратися Вам в основних параметрах двигуна.
Кількість циліндрів. Сучасні автомобілі мають до 16 циліндрів. Це дуже багато. Але справа в тому, що поршневі двигуни внутрішнього згоряння з однаковою потужністю і об'ємом, можуть істотно відрізнятися за іншими параметрами.
Як розташовані циліндри?
Циліндри можуть розташовуватися двома типами: рядним (послідовним) і V-образним (дворядним).
При великому куті розвалу істотно зменшуються динамічні характеристики, але при цьому підвищується інерційність. При малому куті розвалу знижується інерційність і вага, але це призводить до швидкого перегріву.
опозитний двигун
Є ще й радикальний опозитний двигун має кут розвалу в 180 градусів. У такому двигуні всі недоліки і переваги максимальні.
Розглянемо переваги такого мотора. Цей двигун легко вбудовується в самий низ моторного відсіку, що дозволяє знизити центр мас і внаслідок чого, підвищується стійкість автомобіля і його керованість, що не менш важливо.
На оппозітниє поршневі двигуни внутрішнього згоряння вібраційне навантаження знижена і вони повністю збалансовані. Також вони невеликої довжини, ніж однорядні двигуни. Є й недоліки - сама ширина моторного відсіку автомобіля збільшена. опозитний двигунвстановлюється на автомобілі марок Porsche, а також Subaru.
Різновиди двигуна - W-подібний
На даний момент, W-подібний двигун, який випускає Фольксваген, включає в себе дві поршневі групи від двигунів типу VR, які знаходяться під кутом 72 ° і за рахунок цього, і виходить двигун з чотирма рядами циліндрів.
Зараз роблять W-подібні двигуни з 16, 12 і 8 циліндрами.
двигун W8- чотирирядний по два циліндра в кожному ряду. У ньому є два балансирних вала, які обертаються швидше колінчастого в два рази, вони потрібні, щоб врівноважити сили інерції. Цей мотор має місце бути на автомобілі - VW Passat W8.
двигун W12 - чотирирядний, але вже по три циліндри в кожному ряду. Він зустрічається на автомобілях VW Phaeton W12 і Audi A8 W12.
двигун W16 - чотирирядний, по чотири циліндри в кожному ряду, він стоїть тільки на автомобілі Bugatti Veyron 16.4. Цей двигун потужністю 1000 к.с. і в ньому сильний вплив інерційних моментів негативно діючих на шатуни, зменшили за рахунок збільшення кута розвалу до 90 °, і при цьому знизили швидкість поршня до 17,2 м / с. Правда розміри двигуна від цього збільшилися: його довжина дорівнює 710, ширина 767 мм.
І найбільш рідкісний тип двигуна - це рядно-V-подібний (Також званий - VR, дивіться на самому верхньому малюнку праворуч), який представляє з себе поєднання двох різновидів. У двигунів VR маленький розвалміж рядами циліндрів, всього 15 градусів, що і дозволило використовувати на них одну загальну головку.
Об'єм двигуна. Від цього параметра поршневого двигуна внутрішнього згоряння залежать практично всі інші характеристики двигуна. У разі збільшення обсягу двигуна, відбувається збільшення потужності, і як наслідок збільшується витрата палива
Матеріал двигуна. Двигуни, зазвичай робляться з трьох видів матеріалу: алюмінію або його сплавів, чавуну та інших феросплавів, або магнієвих сплавів. Від цих параметрів на практиці залежить лише ресурси і шум двигуна.
Найбільш важливі параметри двигуна
Обертаючий момент. Він створюється двигуном при максимальному тяговому зусилля. Одиниця виміру - Ньют-метри (нм). Крутний момент на пряму впливає на "еластичність двигуна" (здатність до розгону на низьких оборотах).
Потужність.Одиниця виміру - кінські сили(К.с.) Від неї залежить час розгону і швидкість авто.
Максимальні обороти колінчастого валу (об / хв). Вказують на число оборотів яке здатний витримувати двигун без втрати міцності ресурсів. Велика кількість оборотів вказує різкість і динамічність в характері автомобіля.
Важливі в автомобілі і витратні характеристики
Олія.Його витрата вимірюється в літра на тисячу кілометрів. Марка масла позначається xxWxx, де перше число означає густоту, друге в'язкість. Масла з високою густотою і в'язкістю істотно підвищують надійність і міцність двигуна, а масла з невеликою густотою дають хороші динамічні характеристики.
Паливо.Його витрата вимірюється в літрах на сто кілометрів. У сучасних автомобілях можна використовувати практично будь-яку марку бензину, але варто пам'ятати, що низьке октанове число впливає на падіння міцності і потужності, а октанове число вище норми знижує ресурс, але підвищує потужність.
В даний час двигун внутрішнього згоряння є основним видом автомобільного двигуна. Двигуном внутрішнього згоряння (скорочене найменування - ДВС) називається теплова машина, що перетворює хімічну енергію палива в механічну роботу.
Розрізняють такі основні типи двигунів внутрішнього згоряння: поршневий, роторно-поршневий і газотурбінний. З представлених типів двигунів найпоширенішим є поршневий ДВС, тому пристрій і принцип роботи розглянуті на його прикладі.
перевагамипоршневого двигуна внутрішнього згоряння, що забезпечили його широке застосування, є: автономність, універсальність (поєднання з різними споживачами), невисока вартість, компактність, мала маса, можливість швидкого запуску, Многотопливность.
Разом з тим, двигуни внутрішнього згоряння мають ряд суттєвих недоліків, До яких відносяться: високий рівень шуму, велика частота обертання колінчастого вала, токсичність відпрацьованих газів, невисокий ресурс, низький коефіцієнт корисної дії.
Залежно від виду застосовуваного палива розрізняють бензинові і дизельні двигуни. Альтернативними видами палива, використовуваними в двигунах внутрішнього згоряння, є природний газ, спиртові палива - метанол і етанол, водень.
Водневий двигун з точки зору екології є перспективним, тому що не створює шкідливих викидів. Поряд з ДВС водень використовується для створення електричної енергії в паливних елементах автомобілів.
Пристрій двигуна внутрішнього згоряння
Поршневий двигун внутрішнього згоряння включає корпус, два механізми (кривошипно-шатунний і газорозподільний) і ряд систем (вхідну, паливну, запалювання, змащення, охолодження, випускну та систему управління).
Корпус двигуна об'єднує блок циліндрів і головку блоку циліндрів. Кривошипно-шатунний механізм перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Газорозподільний механізм забезпечує своєчасну подачу в циліндри повітря або паливно-повітряної суміші і випуск відпрацьованих газів.
Система управління двигуном забезпечує електронне управління роботою систем двигуна внутрішнього згоряння.
Робота двигуна внутрішнього згоряння
принцип роботи ДВСзаснований на ефекті теплового розширення газів, що виникає при згорянні паливно-повітряної суміші і забезпечує переміщення поршня в циліндрі.
Робота поршневого ДВС здійснюється циклічно. Кожен робочий цикл відбувається за два оберти колінчастого вала і включає чотири такту (чотиритактний двигун): впуск, стиснення, робочий хід і випуск.
Під час тактів впуск і робочий хід відбувається рух поршня вниз, а тактів стиснення і випуск - вгору. Робочі цикли в кожному з циліндрів двигуна не збігаються по фазі, чим досягається рівномірність роботи ДВС. У деяких конструкціях двигунів внутрішнього згоряння робочий цикл реалізується за два такту - стиснення і робочий хід (двотактний двигун).
На такті впусканнявпускная і паливна системизабезпечують освіту паливно-повітряної суміші. Залежно від конструкції суміш утворюється у впускному колекторі(Центральний і розподілене уприскування бензинових двигунів) або безпосередньо в камері згоряння ( безпосереднє уприскуваннябензинових двигунів, уприскування дизельних двигунів). При відкритті впускних клапанів газорозподільного механізму повітря або паливно-повітряна суміш за рахунок розрядження, що виникає при русі поршня вниз, подається в камеру згоряння.
На такті стисненнявпускні клапани закриваються, і паливно-повітряна суміш стискається в циліндрах двигуна.
Такт робочий хідсупроводжується запаленням паливно-повітряної суміші (примусове або самозаймання). В результаті спалаху утворюється велика кількість газів, які тиснуть на поршень і змушують його рухатися вниз. Рух поршня через кривошипно-шатунний механізмперетворюється в обертальний рух колінчастого вала, яке потім використовується для руху автомобіля.
При такті випусквідкриваються випускні клапани газорозподільного механізму, і відпрацьовані гази видаляються з циліндрів в випускну систему, де проводиться їх очищення, охолодження і зниження шуму. Далі гази надходять в атмосферу.
Розглянутий принцип роботи двигуна внутрішнього згорання дозволяє зрозуміти, чому ДВС має невеликий коефіцієнт корисної дії - близько 40%. У конкретний момент часу як правило тільки в одному циліндрі відбувається корисна робота, в інших - що забезпечують такти: впуск, стиснення, випуск.
ПОРШНЕВІ Двигуни внутрішнього згоряння
Як було вище сказано, теплове розширення застосовується в двигунах внутрішнього згоряння. Але яким чином воно застосовується і яку функцію виконує ми розглянемо на прикладі роботи поршневого двигуна внутрішнього згоряння. Двигуном називається енергосилова машина, яка перетворює будь-яку енергію в механічну роботу. Двигуни, в яких механічна робота створюється в результаті перетворення теплової енергії, називаються тепловими. Теплова енергія виходить при спалюванні будь-якого палива. Тепловий двигун, в якому частина хімічної енергії палива, що згорає в робочій порожнині, перетворюється в механічну енергію, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння.
РОБОЧІ ПРОЦЕСИ В ПОРШНЕВИХ І КОМБІНОВАНИХ двигуна КЛАСИФІКАЦІЯ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
Двигуном внутрішнього згоряння називають поршневий теплової двигун, в якому процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її в механічну роботу відбуваються безпосередньо в циліндрі двигуна.
Двигун внутрішнього згоранняможна розділити на:
газові турбіни;
поршневі двигуни;
реактивні двигуни.
У газових турбінах спалювання палива виробляється в спеціальній камері згоряння. Газові турбіни, що мають тільки деталі, що обертаються, можуть працювати з високим числом оборотом. Основним недоліком газових турбін є невисока економічність і робота лопаток в середовищі газу з високою температурою.
У поршневому двигуні паливо і повітря, необхідні для згоряння, вводяться в обсяг циліндра двигуна. Утворені при згорянні гази мають високу температуру і створюють тиск на поршень, переміщаючи його в циліндрі. Поступальний рух поршня через шатун передається колінчастого валу, встановленому в картері, і перетворюється в обертальний рух вала.
У реактивних двигунах потужність збільшується з підвищенням швидкості руху. Тому вони поширені в авіації. Недолік таких двигунів у високій вартості.
Найбільш економічними є двигуни внутрішнього згоряння поршневого типу. Але наявність кривошипно-шатунного механізму, який ускладнює конструкцію і обмежує можливість підвищення частоти обертання, є їх недоліком.
Двигуни внутрішнього згоряння класифікуються за такими основними ознаками:
1. за способом сумішоутворення:
а) двигуни з зовнішнім сумішоутворенням, коли горюча суміш утворюється поза циліндра. Прикладом таких двигунів служать газові і карбюраторні.
б) двигуни з внутрішнім сумішоутворенням, коли горюча суміш утворюється безпосередньо всередині циліндра. Наприклад, двигуни на дизелі і двигуни з уприскуванням легкого палива в циліндр.
2. по виду застосовуваного палива:
а) двигуни, що працюють на легкому рідкому паливі (бензині, лігроїні і гасі);
б) двигуни, що працюють на важкому рідкому паливі (соляровом олії і дизельному паливі);
в) двигуни, що працюють на газовому паливі(Стиснутому і зрідженому газах).
3. за способом займання горючої суміші:
а) двигуни із займанням горючої суміші від електричної іскри (карбюраторні, газові та з уприскуванням легкого палива);
б) двигуни із займанням палива від стиснення (дизелі).
4. за способом здійснення робочого циклу:
а) чотиритактні. У цих двигунів робочий цикл відбувається за 4 ходи поршня або за 2 обороти колінчастого валу;
б) двотактні. У цих двигунів робочий цикл в кожному циліндрі відбувається за два ходи поршня або за один оборот колінчастого валу.
5. за кількістю і розташуванням циліндрів:
а) двигуни одно- та багатоциліндрові (дво-, чотири-, шести-, восьмициліндрові і т.д.)
б) двигуни однорядні (вертикальні і горизонтальні);
в) двигуни дворядні (V-подібні і з протилежними циліндрами).
6. за способом охолодження:
а) двигуни з рідинним охолодженням;
б) двигуни з повітряним охолодженням.
7. за призначенням:
а) двигуни транспортні, що встановлюються на автомобілях, тракторах, будівельних машинах та інших транспортних машинах;
б) двигуни стаціонарні;
в) двигуни спеціального призначення.
зміст:теплове розширення
Класифікація ДВС
Принцип роботи
Тепловий баланс двигуна
інновації
Вступ
Значне зростання всіх галузей народного господарства вимагає переміщення великої кількості вантажів і пасажирів. Висока маневреність, прохідність і пристосованість для роботи в різних умовах робить автомобіль одним з основних засобів перевезення вантажів і пасажирів.
Важливу роль відіграє автомобільний транспорт в освоєнні східних і нечорноземних районів нашої країни. Відсутність розвинутої мережі залізниць і обмеження можливостей використання річок для судноплавства роблять автомобіль головним засобом пересування в цих районах.
Автомобільний транспорт в Росії обслуговує всі галузі народного господарства і займає одне з провідних місць в єдиній транспортній системі країни. На частку автомобільного транспорту припадає понад 80% вантажів, що перевозяться всіма видами транспорту разом взятими, і більше 70% пасажирських перевезень.
Автомобільний транспорт створений в результаті розвитку нової галузі народного господарства - автомобільної промисловості, яка на сучасному етапі є одним з основних ланок вітчизняного машинобудування.
Початок створення автомобіля було покладено більше двохсот років тому (назва "автомобіль" походить від грецького слова autos - "сам" і латинського mobilis - "рухливий"), коли стали виготовляти "саморушні" вози. Вперше вони з'явилися в Росії. У 1752 р російський механік-самоучка селянин Л.Шамшуренков створив досить досконалу для свого часу "самобеглую коляску", що приводиться в рух силою двох чоловік. Пізніше російський винахідник І. П. Кулібін створив "самокатную візок" з педальним приводом. З появою парової машини створення саморушних возів швидко просунулася вперед. У 1869-1870 рр. Ж.Кюньо у Франції, а через кілька років і в Англії були побудовані парові автомобілі. Широке поширення автомобіля як транспортного засобу розпочинається з появою швидкохідного двигуна внутрішнього згоряння. У 1885 р Г.Даймлер (Німеччина) побудував мотоцикл з бензиновим двигуном, а в 1886 р К. Бенц - триколісний візок. Приблизно в цей же час в індустріально розвинених країнах (Франція, Великобританія, США) створюються автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння.
В кінці XIX століття в ряді країн виникла автомобільна промисловість. У царській Росії неодноразово робилися спроби організувати власне машинобудування. У 1908 р виробництво автомобілів було організовано на Російсько-Балтійському вагонобудівному заводі в Ризі. Протягом шести років тут випускалися автомобілі, зібрані в основному з імпортних частин. Всього завод побудував 451 легковий автомобіль і невелика кількість вантажних автомобілів. У 1913 р автомобільний парк в Росії становив близько 9000 автомобілів, з них більша частина - закордонного виробництва. Після Великої Жовтневої соціалістичної революції практично заново довелося створювати вітчизняну автомобільну промисловість. Початок розвитку російського автомобілебудування відноситься до 1924 року, коли в Москві на заводі АМО були побудовані перші вантажні автомобілі АМО-Ф-15.
В період 1931-1941 рр. створюється багатосерійне і масове виробництво автомобілів. У 1931 р на заводі АМО почалося масове виробництво вантажних автомобілів. У 1932 р став до ладу завод ГАЗ.
У 1940 р почав виробництво малолітражних автомобілів Московський завод малолітражних автомобілів. Трохи пізніше був створений Уральський автомобільний завод. За роки післявоєнних п'ятирічок стали до ладу Кутаїський, Кременчуцький, Ульяновський, Мінський автомобільні заводи. Починаючи з кінця 60-х рр., Розвиток автомобілебудування характеризується особливо швидкими темпами. У 1971 р став до ладу Волзький автомобільний завод ім. 50-річчя СРСР.
За останні роки заводами автомобільної промисловості освоєні багато зразки модернізованої та нової автомобільної техніки, в тому числі для сільського господарства, будівництва, торгівлі, нафтогазової та лісової промисловості.
Двигун внутрішнього згорання
В даний час існує велика кількість пристроїв, що використовують теплове розширення газів. До таких пристроїв відноситься карбюраторний двигун, дизелі, турбореактивні двигуни і т.д.
Теплові двигуни можуть бути розділені на дві основні групи:
Двигуни із зовнішнім згоранням - парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга і т.д.
Двигун внутрішнього згорання. Як енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення набули двигуни внутрішнього згоряння, в яких процес згоряння
Найбільш економічними є поршневі і комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Вони мають досить великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розміри і масу. Основним недоліком цих двигунів слід вважати зворотно-поступальний рух поршня, пов'язане з наявністю крівошатунного механізму, що ускладнює конструкцію і обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо при значних розмірах двигуна.
А тепер трохи про перші ДВС. Перший двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) був створений в 1860 р французьким інженером Етвеном Ленуаром, але ця машина була ще досить недосконалою.
У 1862 р французький винахідник Бо де Роша запропонував використовувати в двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл:
всмоктування;
стиснення;
горіння і розширення;
вихлоп.
Швидке поширення ДВС в промисловості, на транспорті, в сільському господарстві та стаціонарної енергетиці була зумовлена низкою їх позитивних особливостей.
Здійснення робочого циклу ДВС в одному циліндрі з малими втратами і значним перепадом температур між джерелом теплоти і холодильником забезпечує високу економічність цих двигунів. Висока економічність - одне з позитивних якостей ДВС.
Серед ДВС дизель в даний час є таким двигуном, який перетворює хімічну енергію палива в механічну роботу з найбільш високим ККД в широкому діапазоні зміни потужності. Це якість дизелів особливо важливо, якщо врахувати, що запаси нафтових палив обмежені.
До позитивних особливостей ДВС варто віднести також те, що вони можуть бути з'єднані практично з будь-яким споживачем енергії. Це пояснюється широкими можливостями отримання відповідних характеристик зміни потужності і крутного моменту цих двигунів. Розглянуті двигуни успішно використовуються на автомобілях, тракторах, сільськогосподарських машинах, тепловозах, судах, електростанціях і т.д., тобто ДВС відрізняються гарною пристосованістю до споживача.
Порівняно невисока початкова вартість, компактність і мала маса ДВС дозволили широко використовувати їх на силових установках, що знаходять широке застосування і які мають невеликі розмірів моторного відділення.
Установки з ДВС мають велику автономністю. Навіть літаки з ДВС можуть літати десятки годин без поповнення пального.
Важливою позитивною якістю ДВС є можливість їх швидкого пуску в звичайних умовах. Двигуни, що працюють при низьких температурах, забезпечуються спеціальними пристроями для полегшення і прискорення пуску. Після пуску двигуни порівняно швидко можуть приймати повне навантаження. ДВС володіють значним гальмівним моментом, що дуже важливо при використанні їх на транспортних установках.
Позитивною якістю дизелів є здатність одного двигуна працювати на багатьох пальному. Так відомі конструкції автомобільних багатопаливних двигунів, а також суднових двигунів великої потужності, які працюють на різних паливах - від дизельного до котельного мазуту.
Але поряд з позитивними якостями ДВС мають ряд недоліків. Серед них обмежене в порівнянні, наприклад з паровими і газовими турбінами агрегатна потужність, високий рівень шуму, відносно велика частота обертання колінчастого вала при пуску і неможливість безпосереднього з'єднання його з провідними колесами споживача, токсичність вихлопних газів, зворотно-поступальний рух поршня, що обмежують частоту обертання і є причиною появи неврівноважених сил інерції і моментів від них.
Але неможливо було б створення двигунів внутрішнього згоряння, їх розвитку та застосування, якби не ефект теплового розширення. Адже в процесі теплового розширення нагріті до високої температури гази здійснюють корисну роботу. Внаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, різко підвищується тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня в циліндрі. А це-то і є та сама потрібна технологічна функція, тобто силовий вплив, створення великих тисків, яку виконує теплове розширення, і заради якої це явище застосовують у різних технологіях і зокрема в ДВС.
теплове розширення
Теплове розширення - зміна розмірів тіла в процесі його изобарического нагрівання (при постійному тиску). Кількісно теплове розширення характеризується температурним коефіцієнтомоб'ємного розширення B = (1 / V) * (dV / dT) p, де V - об'єм, T - температура, p - тиск. Для більшості тел B> 0 (винятком є, наприклад, вода, у якій в інтервалі температур від 0 C до 4 C B
Області застосування теплового розширення.
Теплове розширення знайшло своє застосування в різних сучасних
технологіях.
Зокрема можна сказати про застосування теплового розширення газу в теплотехніки. Так, наприклад, це явище застосовується в різних теплових двигунах, тобто в двигунах внутрішнього і зовнішнього згоряння: в роторних двигунах, В реактивних двигунах, в турбореактивних двигунах, на газотурбінних установках, Двигунах Ванкеля, Стірлінга, ядерних силових установках. Теплове розширення води використовується в парових турбінах і т.д. Все це в свою чергу знайшло широке поширення в різних галузях народного господарства.
Наприклад, двигуни внутрішнього згоряння найбільш широко використовуються на транспортних установках і сільськогосподарських машинах. У стаціонарній енергетиці двигуни внутрішнього згоряння широко використовуються на невеликих електростанціях, енергопоїздах і аварійних енергоустановках. ДВС отримали велике поширення також в якості приводу компресорів і насосів для подачі газу, нафти, рідкого палива і т.п. по трубопроводах, при виробництві розвідувальних робіт, для приводу бурильних установок при бурінні свердловин на газових і нафтових промислах. Турбореактивні двигуни широко поширені в авіації. Парові турбіни - основний двигун для приводу електрогенераторів на ТЕС. Застосовують парові турбіни також для приводу відцентрових повітродувок, компресорів і насосів. Існують навіть парові автомобілі, але вони не набули поширення через конструктивної складності.
Теплове розширення застосовується також у різних теплових реле,
принцип дії яких заснований на лінійному розширенні трубки і
стрижня, виготовлених з матеріалів з різним температурним
коефіцієнтом лінійного розширення.
Поршневі двигуни внутрішнього згоряння
Як було вище сказано, теплове розширення застосовується в ДВС. але
яким чином воно застосовується і яку функцію виконує ми розглянемо
на прикладі роботи поршневого ДВС.
Двигуном називається енергосилова машина, яка перетворює будь-яку енергію в механічну роботу. Двигуни, в яких механічна робота створюється в результаті перетворення теплової енергії, називаються тепловими. Теплова енергія виходить при спалюванні будь-якого палива. Тепловий двигун, в якому частина хімічної енергії палива, що згорає в робочій порожнині, перетворюється в механічну енергію, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння. (Радянський енциклопедичний словник)
Класифікація ДВС
Як було вище сказано, як енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення повчили ДВС, в яких процес згоряння палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. Але в більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння, які класифікуються за різними ознаками:
За способом сумішоутворення - двигуни із зовнішнім сумішоутворенням, у яких горюча суміш готується поза циліндрів (карбюраторні і газові), і двигуни з внутрішнім сумішоутворенням (робоча суміш утворюється всередині циліндрів) - дизелі;
За способом здійснення робочого циклу - чотиритактні і двотактні;
За кількістю циліндрів - одноциліндрові, двоциліндрові і багатоциліндрові;
По розташуванню циліндрів - двигуни з вертикальним або похилим
розташуванням циліндрів в один ряд, V-подібні з розташуванням циліндрів під кутом (при розташуванні циліндрів під кутом 180 двигун називається двигуном з протилежними циліндрами, або оппозітним);
За способом охолодження - на двигуни з рідинним або повітряним
охолодженням;
По виду застосовуваного палива - бензинові, дизельні, газові та
багатопаливних;
За ступенем стиснення. Залежно від ступеня стиснення розрізняють двигуни високого (E = 12 ... 18) і низького (E = 4 ... 9) стиснення;
За способом наповнення циліндра свіжим зарядом:
а) двигуни без наддуву, у яких впускання повітря або горючої суміші
здійснюється за рахунок розрядження в циліндрі при всмоктуючому ході
б) двигуни з наддувом, у яких впускання повітря або горючої суміші в
робочий циліндр відбувається під тиском, створюваним компресором, з
метою збільшення заряду і отримання підвищеної потужності двигуна;
За частотою обертання: тихохідні, підвищеної частоти обертання,
швидкохідні;
За призначенням розрізняють двигуни стаціонарні, автотракторні,
суднові, тепловозні, авіаційні та ін.
Основи пристрою поршневих ДВС
Поршневі ДВС складаються з механізмів і систем, що виконують задані
їм функції і взаємодіючих між собою. Основними частинами такого
двигуна є кривошипно-шатунний механізм і газорозподільний механізм, а також системи харчування, охолодження, запалювання і мастильна система.
Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.
Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне впускання горючої
суміші в циліндр і видалення з нього продуктів згоряння.
Система харчування призначена для приготування та подачі горючої
суміші в циліндр, а також для відведення продуктів згоряння.
Мастильна система служить для подачі масла до взаємодіє
деталей з метою зменшення сили тертя і часткового їх охолодження,
поряд з цим циркуляція масла призводить до змивання нагару і видалення
продуктів зношування.
Система охолодження підтримує нормальний температурний режим
роботи двигуна, забезпечуючи відведення теплоти від сильно нагріваються
при згорянні робочої сумішідеталей циліндрів поршневої групиі
клапанного механізму.
Система запалення призначена для займання робочої суміші в
циліндрі двигуна.
Отже, чотиритактний поршневий двигун складається з циліндра і
картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ущільнювальними) кільцями, що має форму склянки з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун зв'язаний з колінчастим валом, Який обертається в корінних підшипниках, розташованих в картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік і шатунной шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал становлять так званий кривошипно-шатунний механізм. Зверху циліндр накритий
головкою з клапанами і, відкриття і закриття яких точно узгоджене з обертанням колінчастого вала, а отже, і з переміщенням поршня.
Переміщення поршня обмежується двома крайніми положеннями, при
яких його швидкість дорівнює нулю. Крайнє верхнє положення поршня
називається верхньою мертвою точкою (ВМТ), крайнє нижнє його положення
Нижня мертва точка (НМТ).
Невпинне рух поршня через мертві точки забезпечується
маховиком, що має форму диска з масивним ободом.
Відстань, яку проходить поршнем від ВМТ до НМТ, називається ходом
поршня S, що дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S = 2R.
Простір над днищем поршня при перебуванні його в ВМТ називається
камерою згоряння; її обсяг позначається через Vс; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається Vh. Сума обсягу камери згоряння Vс і робочого об'єму Vh становить повний обсяг циліндра Vа: Vа = Vс + Vh. Робочий об'єм циліндра (його вимірюють в кубічних сантиметрах або метрах): Vh = ПД ^ 3 * S / 4, де Д - діаметр циліндра. Суму всіх робочих об'ємів циліндрів багатоциліндрового двигуна називають робочим об'ємом двигуна, його визначають за формулою: V р = (ПД ^ 2 * S) / 4 * i, де i - число циліндрів. Ставлення повного обсягу циліндра Va до обсягу камери згоряння Vc називається ступенем стиснення: E = (Vc + Vh) Vc = Va / Vc = Vh / Vc + 1. Ступінь стиснення є важливим параметромдвигунів внутрішнього згоряння, тому що сильно впливає на його економічність і потужність.
Принцип роботи
Дія поршневого двигуна внутрішнього згоряння засноване на використанні роботи теплового розширення нагрітих газів під час руху поршня від ВМТ до НМТ. Нагрівання газів у положенні ВМТ досягається в результаті згоряння в циліндрі палива, змішаного з повітрям. При цьому підвищується температура газів і тиску. Оскільки тиск під поршнем дорівнює атмосферному, а в циліндрі воно набагато більше, то під дією різниці тисків поршень буде переміщатися вниз, при цьому гази - розширюватися, здійснюючи корисну роботу. Ось тут-то і дає про себе знати теплове розширення газів, тут і полягає його технологічна функція: тиск на поршень. Щоб двигун постійно виробляв механічну енергію, циліндр необхідно періодично заповнювати новими порціями повітря через впускний клапан і паливо через форсунку або подавати через впускний клапан суміш повітря з паливом. Продукти згоряння палива після їх розширення видаляються з циліндра через впускний клапан. Ці завдання виконують механізм газорозподілу, керуючий відкриттям і закриттям клапанів, і система подачі палива.
Принцип дії чотиритактного карбюраторного двигуна
Робочим циклом двигуна називається періодично повторюється ряд
послідовних процесів, що протікають в кожному циліндрі двигуна і
обумовлюють перетворення теплової енергії в механічну роботу.
Якщо робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, тобто за один оборот колінчастого валу, то такий двигун називається двотактним.
Автомобільні двигуни працюють, як правило, по чотирьохтактному
циклу, який відбувається за два оберти колінчастого вала або чотири
ходу поршня і складається з тактів впуску, стиснення, розширення (робочого
ходу) і випуску.
У карбюраторному чотиритактному одноциліндровий двигун робочий цикл відбувається наступним чином:
1. Такт впуску. У міру того, як колінчастий вал двигуна робить перші півоберт, поршень переміщається від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий, випускний клапан закритий. У циліндрі створюється розрядження 0.07 - 0.095 МПа, внаслідок чого свіжий заряд горючої суміші, що складається з парів бензину і повітря, засмоктується через впускний газопровід в циліндр і, змішуючись із залишковими відпрацьованими газами, утворює робочу суміш.
2. Такт стиску. Після заповнення циліндра горючою сумішшю при подальшому обертанні колінчастого вала (другий півоберт) поршень переміщується від НМТ до ВМТ при закритих клапанах. У міру зменшення обсягу температура і тиск робочої суміші підвищуються.
3. Такт розширення або робочий хід. В кінці такту стиснення робоча суміш запалюється від електричної іскри і швидко згоряє, внаслідок чого температура і тиск утворюються газів різко зростає, поршень при цьому переміщується від ВМТ до НМТ.
У процесі такту розширення шарнірно пов'язаний з поршнем шатун
здійснює складний рух і через кривошип приводить в обертання
колінчастий вал. При розширенні гази здійснюють корисну роботу, тому
хід поршня при третьому півоберту колінчастого вала називають робочим
В кінці робочого ходу поршня, при знаходженні його близько НМТ
відкривається випускний клапан, тиск в циліндрі знижується до 0.3 -
0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С.
4. Такт випуску. При четвертому півоберту колінчастого вала поршень переміщається від НМТ до ВМТ. При цьому випускний клапан відкритий, і продукти згоряння виштовхуються з циліндра в атмосферу через випускний газопровід.
Принцип дії чотиритактного дизеля
У чотиритактному двигуні робочі процеси відбуваються наступним чином:
1. Такт впуску. При русі поршня від ВМТ до НМТ внаслідок утвориться розрядження з воздухоочистителя в порожнину циліндра через відкритий впускний клапан надходить атмосферне повітря. Тиск повітря в циліндрі становить 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
2. Такт стиску. Поршень рухається від НМТ до ВМТ; впускний і випускний клапани закриті, внаслідок цього переміщається вгору поршень стискає надійшов повітря. Для займання палива необхідно, щоб температура стисненого повітря була вище температури самозаймання палива. При ході поршня до ВМТ циліндр через форсунку впорскується дизельне паливо, що подається паливним насосом.
3. Такт розширення, або робочий хід. Впорснути в кінці такту стиснення паливо, перемішуючись з нагрітим повітрям, запалюється, і починається процес згоряння, що характеризується швидким підвищенням температури і тиску. При цьому максимальний тиск газів досягає 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Під дією тиску газів поршень 2 переміщується від ВМТ в НМТ - відбувається робочий хід. Близько НМТ тиск знижується до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
4. Такт випуску. Поршень переміщається від НМТ у ВМТ і через відкритий випускний клапан 6 відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра. Тиск газів знижується до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. Після закінчення такту випуску при подальшому обертанні колінчастого вала робочий цикл повторюється в тій же послідовності.
Принцип дії двотактного двигуна
Двотактні двигуни відрізняються від чотиритактних тим, що у них наповнення циліндрів горючою сумішшю або повітрям здійснюється на початку ходу стиснення, а очищення циліндрів від відпрацьованих газів в кінці ходу розширення, тобто процеси випуску та впуску відбуваються без самостійних ходів поршня. Загальний процес для всіх типів двотактних двигунів - продування, тобто процес видалення відпрацьованих газів з циліндра за допомогою потоку горючої суміші або повітря. Тому двигун даного виду має компресор (продувний насос). Розглянемо роботу двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерної продувкою. У цього типу двигунів відсутні клапани, їх роль виконує поршень, який при своєму переміщенні закриває впускні, випускні і продувні вікна. Через ці вікна циліндр в певні моменти повідомляється з впускним і випускним трубопроводами та кривошипно камерою (картер), яка не має безпосереднього сполучення з атмосферою. Циліндр в середній частині має три вікна: впускний, випускний і пневматичні, яке повідомляється клапаном з кривошипно камерою двигуна. Робочий цикл в двигуні здійснюється за два такти:
1. Такт стиснення. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ, перекриваючи спочатку продувні, а потім випускне вікно. Після закриття поршнем випускного вікна в циліндрі починається стиск раніше надійшла в нього горючої суміші. Одночасно в кривошипно камері внаслідок її герметичності створюється розрядження, під дією якого з карбюратора через відкрите вікно впускний поступає горюча суміш в кривошипну камеру.
2. Такт робочого ходу. При положенні поршня близько ВМТ стисла
робоча суміш запалюється електричною іскрою від свічки, в результаті чого температура і тиск газів різко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщується до НМТ, при цьому розширюються гази здійснюють корисну роботу. Одночасно опускається поршень закриває впускний вікно і стискає що знаходиться в кривошипно камері горючу суміш.
Коли поршень дійде до випускного вікна, воно відкривається і починається випуск відпрацьованих газів в атмосферу, тиск в циліндрі знижується. При подальшому переміщенні поршень відкриває продувні вікно і стиснута в кривошипно камері горюча суміш перетікає по каналу, заповнюючи циліндр і здійснюючи продування його від залишків відпрацьованих газів.
Робочий цикл двотактного дизельного двигунавідрізняється від робочого циклу двотактного карбюраторного двигуна тим, що у дизеля в циліндр надходить повітря, а не горюча суміш, і в кінці процесу стиснення впорскується мелкораспиленное паливо.
Потужність двотактного двигуна при однакових розмірах циліндра і
частоті обертання валу теоретично в два рази більше чотиритактного
за рахунок більшого числа робочих циклів. Однак не повне використання
ходу поршня для розширення, найгірше звільнення циліндра від залишкових
газів і витрати частини вироблюваної потужності на привід продувочного
компресора призводять практично до збільшення потужності тільки на
Робочий цикл чотиритактних карбюраторних
і дизельних двигунів
Робочий цикл чотиритактного двигуна складається з п'яти процесів:
впуск, стиснення, згоряння, розширення і випуск, які відбуваються за
чотири такту або за два оберти колінчастого вала.
Графічне представлення про тиск газів при зміні обсягу в
циліндрі двигуна в процесі здійснення кожного з чотирьох циклів
дає індикаторна діаграма. Вона може бути побудована за даними
теплового розрахунку або знята при роботі двигуна з допомогою
спеціального приладу - індикатора.
Процес впуску. Впуск горючої суміші здійснюється після випуску з
циліндрів відпрацьованих газів від попереднього циклу. впускний клапан
відкривається з деяким випередженням до ВМТ, щоб отримати до моменту приходу поршня до ВМТ більше прохідний перетин у клапана. Впуск горючої суміші здійснюється за два періоди. У перший період суміш надходить при переміщенні поршня від ВМТ до НМТ внаслідок розрядження, що створюється в циліндрі. У другій період впускання суміші відбувається при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ протягом деякого часу, відповідного 40 - 70 повороту колінчастого вала за рахунок різниці тиску (ротора), і швидкісного напору суміші. Впуск горючої суміші закінчується закриттям впускного клапана. Горюча суміш, що надійшла в циліндр, змішується з залишковими газами від попереднього циклу і утворює горючу суміш. Тиск суміші в циліндрі протягом процесу впуску становить 70 - 90 кПа і залежить від гідравлічних втрат у впускний системі двигуна. Температура суміші в кінці процесу впуску підвищується до 340 - 350 К внаслідок зіткнення її з нагрітими деталями двигуна і змішування з залишковими газами, що мають температуру 900 - 1000 К.
Процес стиснення. Стиснення робочої суміші, що знаходиться в циліндрі
двигуна, відбувається при закритих клапанах і переміщенні поршня в
ВМТ. Процес стиснення протікає при наявності теплообміну між робочою
сумішшю і стінками (циліндра, головки і днища поршня). На початку стиснення температура робочої суміші нижче температури стінок, тому теплота передається суміші від стінок. У міру подальшого стиснення температура суміші підвищується і стає вище температури стінок, тому теплота від суміші передається стінок. Таким чином, процес стиснення здійснюється по палітрі, середній показник якої n = 1.33 ... 1.38. Процес стиснення закінчується в момент займання робочої суміші. Тиск робочої суміші в циліндрі наприкінці стиснення 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.
Процес згоряння. Від згоряння робочої суміші починається раніше приходу
поршня до ВМТ, тобто коли стиснута суміш запалюється від електричної іскри. Після займання фронт полум'я свічки, що горить від свічки поширюється по всьому об'єму камери згоряння зі швидкістю 40 - 50 м / с. Незважаючи на таку високу швидкість згоряння, суміш встигає згоріти за час, поки колінчастий вал повернеться на 30 - 35. При згорянні робочої суміші виділяється велика кількість теплоти на ділянці, відповідним 10 - 15 до ВМТ і 15 - 20 після НМТ, внаслідок чого тиск і температура що утворюються в циліндрі газів швидко зростають.
В кінці згоряння тиск газів досягає 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.
Процес розширення. Теплове розширення газів, що знаходяться в циліндрі двигуна, відбувається після закінчення процесу згоряння при переміщенні поршня до НМТ. Гази, розширюючись, здійснюють корисну роботу. Процес теплового розширення протікає при інтенсивному теплообміні між газами і стінками (циліндра, головки і днища поршня). На початку розширення відбувається догорання робочої суміші, внаслідок чого утворюються гази отримують теплоту. Гази протягом всього процесу теплового розширення віддають теплоту стінок. Температура газів в процесі розширення зменшується, отже, змінюється перепад температури між газами і стінками. Процес теплового розширення відбувається по палітрі, середній показник якої n2 = 1.23 ... 1.31. Тиск газів в циліндрі в кінці розширення 0.35 - 0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.
Процес випуску. Випуск відпрацьованих газів починається при відкритті випускного клапана, тобто за 40 - 60 до приходу поршня в НМТ. Випуск газів з циліндра здійснюється за два періоди. У перший період випуск газів відбувається при переміщенні поршня за рахунок того, що тиск газів в циліндрі значно вище атмосферного.В цей період з циліндра видаляється близько 60% відпрацьованих газів зі швидкістю 500 - 600 м / с. У другій період випуск газів відбувається при переміщенні поршня (закриття випускного клапана) за рахунок виштовхує дії поршня та інерції рухомих газів. Випуск відпрацьованих газів закінчується в момент закриття випускного клапана, т. Е. Через 10 - 20 після приходу поршня в ВМТ. Тиск газів в циліндрі в процесі виштовхування 0.11 - 0.12 МПа, температура газів в кінці процесу випуску 90 - 1100 К.
Робочий цикл чотиритактного двигуна
Робочий цикл дизеля істотно відрізняється від робочого циклу
карбюраторного двигуна способом освіти і займання робочої
Процес впуску. Впуск повітря починається при відкритому впускному клапані і закінчується в момент закриття його. Впускний клапан відкривається. Процес впуску повітря відбувається також, як і впуск горючої суміші в карбюраторному двигуні. Тиск повітря в циліндрі в перебігу процесу впуску становить 80 - 95 кПа і залежить від гідравлічних втрат у впускний системі двигуна. Температура повітря в кінці процесу випуску підвищується до 320 - 350 К за рахунок зіткнення його з нагрітими деталями двигуна і змішування з залишковими газами.
Процес стиснення. Стиснення повітря, що знаходиться в циліндрі, починається після закриття впускного клапана і закінчується в момент упорскування палива в камеру згоряння. Процес стиснення відбувається аналогічно стисненню робочої суміші в карбюраторному двигуні. Тиск повітря в циліндрі наприкінці стиснення 3.5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.
Процес згоряння. Згоряння палива починається з моменту початку подачі палива в циліндр, тобто за 15 - 30 до приходу поршня в ВМТ. У цей момент температура стисненого повітря на 150 - 200 С вище температури самозаймання. Паливо, яке надійшло в мелкораспиленном стані в циліндр, запалюється не миттєво, а з затримкою протягом деякого часу (0.001 - 0.003 с), званого періодом затримки займання. У цей період паливо прогрівається, перемішується з повітрям і випаровується, тобто утворюється робоча суміш.
Підготовлене паливо загорається і згоряє. В кінці згоряння тиск газів досягає 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.
Процес розширення. Теплове розширення газів, що знаходяться в циліндрі, починається після закінчення процесу згоряння і закінчується в момент закриття випускного клапана. На початку розширення відбувається догорання палива. Процес теплового розширення відбувається аналогічно до процесу теплового розширення газів в карбюраторному двигуні. Тиск газів в циліндрі до кінця розширення 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 До
Процес випуску. Випуск відпрацьованих газів починається при відкритті
випускного клапана і закінчується в момент закриття випускного клапана. Процес випуску відпрацьованих газів відбувається також, як і процес випуску газів в карбюраторному двигуні. Тиск газів в циліндрі в процесі виштовхування 0.11 - 0.12 МПа, температура газів в кінці процесу випуску 700 - 900 К.
Робочі цикли двотактних двигунів
Робочий цикл двотактного двигуна здійснюється за два такти, або за один оборот колінчастого валу.
Розглянемо робочий цикл двотактного карбюраторного двигуна з
кривошипно-камерної продувкою.
Процес стиснення горючої суміші, що знаходиться в циліндрі, починається з
моменту закриття поршнем вікон циліндра при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ. Процес стиснення протікає також, як і в чотиритактним карбюраторному двигуні.
Процес згоряння відбувається аналогічно процесу згоряння в чотиритактним карбюраторному двигуні.
Процес теплового розширення газів, що знаходяться в циліндрі, починається після закінчення процесу згоряння і закінчується в момент відкриття випускних вікон. Процес теплового розширення відбувається аналогічно процесу розширення газів в чотиритактним карбюраторному двигуні.
Процес випуску відпрацьованих газів починається при відкритті
випускних вікон, тобто за 60 - 65 до приходу поршня в НМТ, і закінчується через 60 - 65 після проходу поршнем НМТ. У міру відкриття випускного вікна тиск в циліндрі різко знижується, а за 50 - 55 до приходу поршня в НМТ відкриваються продувні вікна і горюча суміш, раніше надійшла в кривошипну камеру і стисла опускається поршнем, починає надходити в циліндр. Період, протягом якого відбувається одночасно два процеси - впуск горючої суміші і випуск відпрацьованих газів - називають продувкою. Під час продувки горюча суміш витісняє відпрацьовані гази і частково несеться разом з ними.
При подальшому переміщенні до ВМТ поршень перекриває спочатку
продувні вікна, припиняючи доступ горючої суміші в циліндр з кривошипно камери, а потім випускні і починається в циліндрі процес стиснення.
Показники, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РОБОТУ ДВИГУНІВ
Середнє індикаторне тиск і індикаторна потужність
Під середнім індикаторним тиском Pi розуміють таке умовне
постійний тиск, яке діючи на поршень протягом одного
робочого ходу, здійснює роботу, рівну індикаторної роботі газів в
циліндрі за робочий цикл.
Згідно з визначенням, середнє індикаторне тиск - відношення
індикаторної роботи газів за цикл Li до одиниці робочого об'єму
циліндра Vh, тобто Pi = Li / Vh.
При наявності індикаторної діаграми, Знятої з двигуна, середнє індикаторне тиск можна визначити по висоті прямокутника, побудованого на підставі Vh, площа якого дорівнює корисної площі індикаторної діаграми, що представляє собою в деякому масштабі індикаторну роботу Li.
Визначити за допомогою планіметрії корисну площу F індикаторної
діаграми (м ^ 2) і довжину l індикаторної діаграми (м), відповідну
робочому об'єму циліндра, знаходять значення середнього індикаторного
тиску Pi = F * m / l, де m - масштаб тиску індикаторної діаграми,
Середні індикаторні тиску при номінальному навантаженні у чотиритактних карбюраторних двигуній 0.8 - 1.2 МПа, у чотиритактних дизелів 0.7 - 1.1 МПа, у двотактних дизелів 0.6 - 0.9 МПа.
Індикаторної потужністю Ni називають роботу, що здійснюються газами в циліндрах двигуна в одиницю часу.
Індикаторна робота (Дж), що здійснюються газами в одному циліндрі за один робочий цикл, Li = Pi * Vh.
Так як число робочих циклів, що здійснюються двигуном в секунду, так само 2n / T, то індикаторна потужність (кВт) одного циліндра Ni = (2 / T) * Pi * Vh * n * 10 ^ -3, де n - частота обертання колінчастого вала , 1 / с, T - тактность двигуна - число тактів за цикл (T = 4 - для чотиритактних двигунів і T = 2 - для двотактних).
Індикаторна потужність багатоциліндрового двигуна при числі
циліндрів i Ni = (2 / T) * Pi * Vh * n * i * 10 ^ -3.
Ефективна потужність і середні ефективні тиску
Ефективною потужністю Ne називають потужність, що знімається з колінчастого
вала двигуна для отримання корисної роботи.
Ефективна потужність менше індикаторної Ni на величину потужності
механічних втрат Nm, тобто Ne = Ni-Nm.
Потужність механічних втрат витрачається на тертя і приведення в
дію кривошипно-шатунного механізму і механізму газорозподілу,
вентилятора, рідинного, масляного і паливного насосів, генератора
струму та інших допоміжних механізмів і приладів.
Механічні втрати в двигуні оцінюються механічним ККД nm,
яке являє собою відношення ефективної потужності до індикаторної, тобто Nm = Ne / Ni = (Ni-Nm) / Ni = 1-Nm / Ni.
Для сучасних двигунів механічний ККД становить 0.72 - 0.9.
Знаючи величину механічного ККД можна визначити ефективну потужність
Аналогічно індикаторної потужності визначають потужність механічних
втрат Nm = 2 / T * Pm * Vh * ni * 10 ^ -3, де Pm - середній тиск механічних
втрат, тобто частина середнього індикаторного тиску, яка
витрачається на подолання тертя і на привід допоміжних
механізмів і приладів.
Згідно з експериментальними даними для дизелів Pm = 1.13 + 0.1 * ст; для
карбюраторних двигунів Pm = 0.35 + 0.12 * ст; де ст - середня швидкість
поршня, м / с.
Різниця між середнім індикаторним тиском Pi і середнім тиском механічних втрат Pm називають середнім ефективним тиском Pe, тобто Pe = Pi-Pm.
Ефективна потужність двигуна Ne = (2 / T) * Pe * Vh * ni * 10 ^ -3, звідки середнє ефективне тиск Pe = 10 ^ 3 * Ne * T / (2Vh * ni).
Середнє ефективне тиск при нормальному навантаженні у чотиритактних карбюраторних двигуні 0.75 - 0.95 МПа, у чотиритактних дизелів 0.6 - 0.8 МПа, у двотактних 0.5 - 0.75 МПа.
Індикаторний ККД і питома індикаторний витрата палива
Економічність дійсного робочого циклу двигуна визначають
індикаторним ККД ni і питомою індикаторним витратою палива gi.
Індикаторний ККД оцінює ступінь використання теплоти в дійсному циклі з урахуванням всіх теплових втрат і являє собою відношення теплоти Qi, еквівалентній корисної індикаторної роботі, до всієї витраченої теплоти Q, тобто ni = Qi / Q (а).
Теплота (кВт), еквівалентна індикаторної роботі за 1 с, Qi = Ni. Теплота (кВт), витрачена на роботу двигуна протягом 1 с, Q = Gт * (Q ^ p) н, де Gт - витрата палива, кг / с; (Q ^ p) н - нижча теплота згоряння палива, кДж / кг. Підставляючи значення Qi і Q в рівність (а), отримаємо ni = Ni / Gт * (Q ^ p) н (1).
Питома індикаторний витрата палива [кг / кВт * год] являє собою
ставлення секундного витрати палива Gт до індикаторної потужності Ni,
тобто gi = (Gт / Ni) * 3600 або [г / (кВт * год)] gi = (Gт / Ni) * 3.6 * 10 ^ 6.
Ефективний ККД і питома ефективна витрата палива
Економічність роботи двигуна в цілому визначають ефективним ККД
ni і питомою ефективним витратою палива ge. ефективний ККД
оцінює ступінь використання теплоти палива з урахуванням всіх видів втрат як теплових так і механічних і являє собою відношення теплоти Qe, еквівалентній корисної ефективній роботі, до всієї витраченої теплоти Gт * Q, тобто nm = Qe / (Gт * (Q ^ p) н) = Ne / (Gт * (Q ^ p) н) (2).
Так як механічний ККД дорівнює відношенню Ne до Ni, то, підставляючи в
рівняння, що визначає механічний ККД nm, значення Ne і Ni з
рівнянь (1) і (2), отримаємо nm = Ne / Ni = ne / ni, звідки ne = ni / nM, тобто ефективний ККД двигунадорівнює добутку індикаторного ККДна механічний.
Питома ефективна витрата палива [кг / (кВт * год)] представляє собою відношення секундного витрати палива Gт до ефективної потужності Ne, тобто ge = (Gт / Ne) * 3600 або [г / (кВт * год)] ge = (Gт / Ne) * 3.6 * 10 ^ 6.
Тепловий баланс двигуна
З аналізу робочого циклу двигуна слід, що тільки частина теплоти, що виділяється при згорянні палива, використовується на корисну роботу, решта ж частина складає теплові втрати. Розподіл теплоти, отриманої при згорянні вводиться в циліндр палива, називають тепловим балансом, який зазвичай визначається експериментальним шляхом. Рівняння теплового балансу має вигляд Q = Qe + Qг + Qн.с + Qост, де Q - теплота палива, введена в двигун Qe - теплота, перетворена в корисну роботу; Qохл - теплота, втрачена охолоджуючим агентом (водою або повітрям); Qг - теплота, втрачена з відпрацьованими газами; Qн.с - теплота, втрачена внаслідок неповного згоряння палива, Qост - залишковий член балансу, який дорівнює сумі всіх неврахованих втрат.
Кількість располагаемой (введеної) теплоти (кВт) Q = Gт * (Q ^ p) н. Теплота (кВт), перетворена в корисну роботу, Qe = Ne. Теплота (кВт), втрачена з охолоджувальною водою, Qохл = Gв * св * (t2-t1), де Gв - кількість води, що проходить через систему, кг / с; св - теплоємність води, кДж / (кг * К) [св = 4.19 кДж / (кг * К)]; t2 і t1 - температури води при вході в систему і при виході з неї, С.
Теплота (кВт), що втрачається з відпрацьованими газами,
Qг = Gт * (Vp * СРГ * tг-V ст * срв * t в), де Gт - витрата палива, кг / с; Vг і Vв - витрати газів і повітря, м ^ 3 / кг; СРГ і СРВ - середні об'ємні теплоємності газів і повітря при постійному тиску, кДж / (м ^ 3 * К); tр і tв - температура відпрацьованих газів і повітря, С.
Теплота, що втрачається внаслідок неповноти згоряння палива, визначається досвідченим шляхом.
Остаточний член теплового балансу (кВт) Qост = Q- (Qe + Qохл + Qг + Qн.с).
Тепловий баланс можна скласти в процентах від усієї кількості введеної теплоти, тоді рівняння балансу набуде вигляду: 100% = qe + qохл + qг + qн.с + qост, де qe = (Qe / Q * 100%); qохл = (Qохл / Q) * 100%;
qг = (Qг / Q) * 100% і т.д.
інновації
Останнім часом все більше застосування отримують поршневі двигуни з примусовим наповненням циліндра повітрям підвищеного
тиску, тобто двигуни з наддувом. І перспективи двигунобудування пов'язані, на мій погляд, з двигунами даного типу, тому що тут є величезний резерв невикористаних конструкторських можливостей, і є над чим подумати, а по-друге, вважаю, що великі перспективи в майбутньому саме у цих двигунів. Адже наддув дозволяє збільшити заряд циліндра повітрям і, отже, кількість стискається палива, а тим самим підвищити потужність двигуна.
Для приводу нагнітача в сучасних двигунахзазвичай використовують
енергію відпрацьованих газів. В цьому випадку відпрацьовані в циліндрі гази, які мають у випускному колекторі підвищений тиск, направляють в газову турбіну, що приводить в обертання компресор.
Згідно зі схемою газотурбінного наддуву чотиритактного двигуна, відпрацьовані гази з циліндрів двигуна надходять в газову турбіну, після якої відводяться в атмосферу. Відцентровий компресор, що обертається турбіною, засмоктує повітря з атмосфери і нагнітає його під тиском: 0.130 ... 0.250 МПа в циліндри. Крім використання енергії вихлопних газів перевагою такої системи наддуву перед приводом компресора від колінчастого вала є саморегулювання, що полягає в тому, що зі збільшенням потужності двигуна відповідно зростають тиск і температура відпрацьованих газів, а отже потужність турбокомпресора. При цьому зростають тиск і кількість подаваного їм повітря.
В двотактних двигунахтурбокомпресор повинен мати більш високу потужність, ніж в чотиритактних, тому що під час продування частина повітря проходить в випускні вікна, транзитний повітря не використовується для зарядки циліндра і знижує температуру випускних газів. Внаслідок цього на часткових навантаженнях енергії відпрацьованих газів виявляється недостатньо для газотурбінного приводу компресора. Крім того, при газотурбінному наддуванні неможливий запуск дизеля. З огляду на це, в двотактних двигунах зазвичай застосовують комбіновану систему наддуву з послідовною або паралельною установкою компресора з газотурбінним і компресор з механічним приводом.
При найбільш поширеною послідовній схемі комбінованого наддуву компресор з газотурбінним приводом виробляє тільки часткове стиснення повітря, після чого він дожимается компресором, що приводиться в обертання від валу двигуна. Завдяки застосуванню наддуву можливе підвищення потужності в порівнянні з потужністю двигуна без наддуву від 40% до 100% і більше.
На мій погляд, основним напрямком розвитку сучасних поршневих
двигунів із запалюванням від стиснення буде значне форсування їх по потужності за рахунок застосування високого наддуву в поєднанні з охолодженням повітря після компресора.
У чотиритактних двигунах в результаті застосування тиску наддуву до 3.1 ... 3.2 МПа в поєднанні з охолодженням повітря після компресора досягається середнє ефективне тиск Pe = 18.2 ... 20.2 МПа. Привід компресора в цих двигунах газотурбінний. Потужність турбіни досягає 30% від потужності двигуна, тому підвищуються вимоги до ККД турбіни і компресора. Невід'ємним елементом системи наддуву цих двигунів повинен бути охолоджувач повітря, встановлений після компресора. Охолодження повітря проводиться водою, що циркулює за допомогою індивідуального водяного насоса по контуру: воздухоохладитель - радіатор для охолодження води атмосферним повітрям.
Перспективним напрямком розвитку поршневих двигуніввнутрішнього згоряння є більш повне використання енергії випускних газів в турбіні, що забезпечує потужність компресора, потрібну для досягнення заданого тиску наддуву. Надлишкова потужність в цьому випадку передається на колінчастий вал дизеля. Реалізація такої схеми найбільш можлива для чотиритактних двигунів.
висновок
Отже, ми бачимо, що двигуни внутрішнього згоряння - дуже складний механізм. І Функція, виконувана тепловим розширенням в двигунах внутрішнього згоряння не так проста, як це здається на перший погляд. Та й не існувало б двигунів внутрішнього згоряння без використання теплового розширення газів. І в цьому ми легко переконуємося, розглянувши докладно принцип роботи ДВС, їх робочі цикли - вся їх робота заснована на використанні теплового розширення газів. Але ДВС - це тільки одне з конкретних застосувань теплового розширення. І судячи з того, яку користь приносить теплове розширення людям через двигун внутрішнього згоряння, можна судити про користь даного явища в інших областях людської діяльності.
І нехай проходить ера двигуна внутрішнього згоряння, нехай у них є багато недоліків, нехай з'являються нові двигуни, які не забруднюють внутрішнє середовище і не використовують функцію теплового розширення, але перші ще довго приноситимуть користь людям, і люди через багато сотень років будуть по доброму відгукуватися про них, бо вони вивели людство на новий рівень розвитку, а пройшовши його, людство піднялося ще вище.