Автомобиль

Двигатели внутреннего сгорания на сегодня имеют самое широкое распространение для транспортных средств. В них процесс сгорания происходит в камере, переменно изменяющей свой обьем. Это обычные поршневые двигатели, роторные и др. Если рабочий процесс происходит в камере постоянного обьема, сообщающейся с атмосферой – эти двигатели относят к классу двигателей внешнего сгорания (это газовые турбины и др. генераторы). Кроме того, если в камере не происходит процесса горения, однако, газ (воздух) совершает работу путем нагнетания этот вид имеет название компрессорных установок. А так же как известно, термодинамические циклы характеризуют еще и цикл холодильных установок.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания являются периодически действующими машинами, так как рабочий

цикл в них может повторяться практически бесконечное число раз и происходит внутри цилиндров. Различают два основных цикла: четырехтактный и двухтактный (кроме того, для роторных двигателей практически осуществляется трехтактный цикл). По принципу смесеобразования современные транспортные двигатели делятся на карбюраторные, с системами впрыска и дизельные. В двух первых случаях возгорание происходит при подаче искры (и они называются искровыми),в последнем – происходит самовоспламенение от сжатия. Создателем искровых двигателей считают Н. Отто, а – двигателей с самовоспламенением от сжатия – Р. Дизеля, а основоположником современных систем впрыска является Р. Бош.

Четырехтактный и двухтактный рабочие циклы включают в себя следующие фазы: впуск, сжатие, сгорание и рабочий ход, выпуск. Четырехтактный цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала, двухтактный – за один оборот. В первом случае получается более экономичный цикл, во втором – более мощный (однако для больших двигателей он практически не осуществим).

Что бы увеличить мощность двигателя и, например, его приемистость (то есть повысить крутящий момент) увеличивают число рабочих цилиндров и их расположение (в итоге увеличивают полный обьем). Таким образом двигатели бывают одно- и многоцилиндровыми, а по их расположению – рядные, V-образные, оппозитные и звездо-образные).

Принцип действия четырехтактного двигателя построен на работе кругового рабочего процесса. Первой фазой является впуск в цилиндры (это всасывание за счет открытых клапанных устройств воздуха. а вместе с топливом из впускного коллектора. Здесь всасывается как правило уже приготовленная топливовоздушная смесь, например в карбюраторе, но для впрыска, работающего по точно такому же циклу- впрыскивание необходимой дозы топлива в самой верхней части положения поршня в цилиндре. Поршень в этой фазе идет вниз от верхней мертвой точки его положения до нижней мертвой точки. Вторая фаза для карбюраторного смесеобразования – это сжатие: приготовленной топливовоздушной смеси внутри цилиндра до необходимого давления. В системах впрыска подача дозы топлива может осуществляться уже в этой фазе, т.е. это зависит от регулировок систем электронной подачи топлива. Для дизеля – это принципиально важная фаза. т.к. после нее здесь происходит самовоспламенение топливовоздушной смеси, оказавшейся внутри от сжатия, т.е. ее самовозгорание за счет давления сжатия. Этот принцип имеет начало от схемы Ривса, которая имела принцип работы от взрыва топлива внутри цилиндра при его сильном сжатии. В этой фазе поршень двигается от нижней мертвой точки к верхней принудительно коленчатым валом двигателя с маховиком (т.е. по инерции). Третьей фазой этих типов двигателей является непосредственно сгорание находящейся внутри цилиндров, приготовленной топливо-воздушной смеси (для искровых двигателей это происходит от подачи искры воспламенения на свечу зажигания, или с помощью калильных свечей, имеющих высокую температуру нижней их части). При сгорании топлива газовая смесь внутри цилиндра расширяется при высоком давлении независимо от типа процесса воспламенения. Поэтому осуществляется рабочий ход-поршень двигается с высоким ускорением от верхней мертвой точки к нижней и при этом он осуществляет работу, преобразующуюся во вращение коленчатого вала двигателя. Это непосредственно работа двигателя. которая осуществляется лишь в одной фазе всего цикла работы. Четвертой фазой является выпуск отработавших газов – при сгорании газы сперва под высоким давлением двигают поршень вниз, а когда открывается выпускной клапан – они удаляются в выпускную систему, т.е. в атмосферу, причем с помощью принудительного дополнительного вытеснения поршнем, двигающимся в этой фазе снизу вверх. Данный цикл работы двигателя повторяется бесконечное число раз, пока двигатель работает, т.е. осуществляется действие всех его систем при подаче топлива для работы. Это и есть круговой рабочий процесс для данного типа двигателя.

Четырехтактный цикл для двигателя внутреннего сгорания осуществляется таким образом за 2 оборота коленчатого вала двигателя и имеет 4 возвратно-поступательных хода поршня вверх-вниз внутри цилиндра. В отличие от него двухтактный цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. поэтому он менее экономичен, но имеет повышенную удельную мощность и применяется в основном для мотоциклов и лишь изредка—для большегрузных дизелей. Организация работы цикла двухтактного двигателя осуществляется за счет принципа смесеобразования другого типа – это в основном бесклапанные механизмы. Их основой являются продувочные окна в гильзе цилиндров по ходу движения поршня, которые осуществляют в нужный момент впуск и выпуск топливо-воздушной смеси и отработавших газов. Причем эта схема может осуществляется с внутренней продувкой через корпус двигателя, поэтому в топливо-воздушную смесь мотоциклетных двигателей добавляется масло. т.к. оно участвует в процессе смазки подшипников коленчатого вала при его вращении.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания поэтому при движении поршня вниз при открытии впускного окна в стенке цилиндра осуществляет всасывание топливо-воздушной смеси с одновременной ее продувкой через корпус, а после достижения нижней мертвой точки поршня-сперва продувка с оставшимися отработавшими газами предыдущего цикла, а потом-сжатие оставшейся топливо-воздушной смеси. В верхней мертвой точке нужный момент либо подается искра на свечу зажигания, либо происходит самовоспламенение при дизельном способе. Далее осуществляется выпуск отработавших газов с момента прохождения поршнем соответствующего окна в гильзе цилиндров, а после —снова всасывание при открытии впускного окна. Поэтому этот цикл не выгоден с точки зрения экономичности по сравнению с четырехтактным в виду потерь топливо-воздушно смеси при продувках. Продувочные окна и каналы могут иметь разную схему, поэтому могут существовать разные конструктивные схемы двухтактных двигателей. Таким образом двухтактный цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала двигателя и два возвратно-поступательных хода поршня вверх-вниз.

Кроме этого так же существует еще один тип цикла двигателя на примере роторно-поршневого двигателя. В нем поршнем является треугольный ротор, окатывающийся о коленчатый кулисный вал с внутренним зубчатым зацеплением, а цилиндром-корпус с внутренним овалообразным отверстием, вдоль которого четко двигаются кромки треугольного поршня. Но в этом случае практически отсутствует фаза сжатия, но имеется впуск, рабочий ход и выпуск. Впуск и выпуск осуществляются через соответствующие продувочные окна, открывающиеся по ходу поршня. Принцип смесеобразования – подобный с воспламенением от искры, т.е. имеется искровое зажигание, но сам рабочий цикл осуществляется за один оборот треугольного поршня, а следовательно по принципу работы относится к трехтактному циклу. Здесь таким образом за один оборот поршня его треугольные кромки выполняют работу цикла, но основные его операции в цикле ограничиваются количеством его кромок – это принцип действия роторно-поршневого двигателя. Недостатком роторно-поршневого двигателя является его меньшая мощность и невысокая долговечность, поэтому они находят редкое применение.

Основными показателями двигателей являются: Nmax – максимальная мощность [кВт],Mmax -максимальный крутящий момент -Ме [Hm],Ge – удельный эффективный расход топлива [г/кВтч], E -степень сжатия, коэффициент запаса крутящего момента (приемистость),литраж, а так же ряд скоростных и нагрузочных характеристик. Например, для увеличения мощности и экономичности необходимо увеличить степень сжатия и перейти на более высококачественные топлива: для бензиновых двигателей степень сжатия современных двигателей лежит в пределах 8 – 14,а для дизельных – более 10—11.

Некоторые из указанных параметров входят в техническую характеристику двигателя и автомобиля. Например, это касается в первую очередь внещней скоростной характеристики двигателя, на которой имеются кривые показателей изменения мощности, крутящего момента, удельного эффективного расхода топлива двигателя в зависимости от частоты вращения его коленчатого вала. Кроме этого к характеристикам двигателя относятся регулировочные характеристики по составу топливо-воздушной смеси и другие нагрузочные характеристики., по которым можно судить о комплексе параметров и показателей самого двигателя

Двигатель внутреннего сгорания это механическое устройства для преобразования тепловой работы, образующейся при сгорания топлива, в механическую – вращения его коленчатого вала. Он имеет механические потери, характеризующиеся соответствующими диаграммами. Эти механические потери зависят от работы устройств двигателя, например, применяемых в нем подшипников. Но в основном большинство современных двигателей внутреннего сгорания имеет подшипники скольжения для коленчатых валов многоцилиндровых двигателей, на мотоциклетных двигателях – подшипники качения (шариковые или роликовые). Это же относится и к новым типам двигателей, но в мелкосерийном варианте, так как не выполняются условия долговечности. Поэтому для обеспечения работоспособности и долговечности двигателя применяются масляные смазочные системы с принудительной циркуляцией и подачей масла к узлам трения под давлением.

Кроме этого к характеристикам двигателя относится и индикаторная диаграмма, которая представляет собой теоретически возможные показатели двигателя без учета механических и других потерь, Поэтому Существует понятие об индикаторной мощности двигателя, которая выше Номинальной на величину неучитываемых потерь. Поэтому сам двигатель имеет коэффициент полезного действия и что принципиально важно имеет рабочий цикл, зависящий от типа двигателя, который характеризует его показатели работы. Для разных типов двигателей имеется свой рабочий теоретический цикл.

Современные поршневые двигатели работающие по принципу периодически действующих машин имеют следующие основные системы:

– кривошипно-шатунный механизм, который проебразует энергию сгорания топлива из возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала,

– газораспределительный механизм, который предназначен

– для впуска в цилиндры топливовоздушной смеси и выпуска отработавших газов, то есть для организации периодической работы процесса сгорания (как правило это осуществляется за счет клаппаных механизмов с приводом),

– масляную систему, которая служит для смазки узлов трения и подшипников (скольжения и качения) и увеличения долговечности и надежности,

– систему охлаждения, которая служит для отвода выделяющейся при сгорании теплоты и повышения, таким образом, долговечности и надежности (основные виды систем охлаждения: воздушная и жидкостная),

– систему питания, которая служит для подачи топлива и приготовления топливовоздушной смеси (кроме того к системе питания относится также и система выпуска отработавших газов для удаления их из двигателей),

– систему электрического пуска и зажигания (для дизелей система зажигания не используется).

Все данные системы имеют свои необходимые для работы двигателя конструктивные элементы, существенно влияют на режим работы двигателей и соответственно выходные параметры: например, мощность, крутящий момент, расход топлива, вредные выбросы и пр. Для улучшения этих показателей используются и другие дополнительные системы: например, турбонагнетатель на впуске, который увеличивает обьем подаваемой топливо-воздушной смеси и степень сжатия двигателя; гидравлические топливные системы впрыска среднего давления, управляемые электронно, дополнительные системы карбюратора, как устройства приготовления топливо-воздушной смеси; применение калильных свечей зажигания для дизелей; вариьрование короткоходностью и длиноходность поршней и оборотностью работы двигателя; увеличение обьема и числа цилиндров; применение присадок к топливам; добавки к стандартному топливу спиртов, рапсовых масел; использование двух-топливных систем; использование нейтраллизаторов отработавших газов и рециркуляции и многое другое.

Системы двигателей

К тепловым двигателям, используемым на автомобилях, относятся карбюраторные четырехтактные и двухтактные двигатели с воспламенением от электрической искры, четырехтактные и двухтактные дизельные двигатели с воспламенением от сжатия, роторно-поршневые двигатели, газотурбинные и пр. Последние имеют большую перспективу. Кроме того, бывают варианты комбинированных силовых установок, дизельный двигатель и электропривод (аналогично существуют и комбинации двухтактных двигателей и электропривода, в том числе и для малолитражных легковых автомобилей). Перспективным является электромобиль, как альтернатива поршневым двигателям внутреннего сгорания.

На мотоциклах применяются те же типы поршневых двигателей внутреннего сгорания (в основном двухтактные). Данные типы благодаря их простоте устанавливаются на катерах, в стационарном виде и на некоторые специальные транспортные средства. Их основным преимуществом является то, что они имеют воздушное охлаждение в виде оребренных блоков и головок блоков двигателей. На автомобилях воздушное охлаждение сейчас применяется крайне редко (известны в основном лишь старые модели отечественных легковых автомобилей особо малого класса, а также большие дизели грузовых автомобилей. Карбюраторные двигатели таким образом практически не имеют варианта исполнения с воздушным охлаждением в виду большой шумности и тепловой нагрузки, но до сих пор исправно могут эксплуатироваться. Но при этом рабочий цикл большого двигателя может быть только четырехтактным, а не двухтактным

К основным конструктивным показателям двигателей относят его объем, объем камеры сгорания (объем пространства, освобождаемый поршнем при перемещении поршня от верхней мертвой точки до нижней), полный объем цилиндра (рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания), степень сжатия (отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания). Показатели этой группы, характеризуют конструктивные параметры двигателя по его объему.

К другой группе показателей относятся основные параметры, характеризующие мощностные данные двигателя: мощность двигателя (максимальная мощность двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя), максимальный крутящий момент двигателя при определенной частоте вращения двигателя, удельная литровая мощность двигателя (отношение максимальной мощности к литражу),приемистость двигателя (отношение величин максимального крутящего момента к крутящему моменту при номинальной частоте вращения).Эти группы показателей входят в техническую характеристику автомобиля в целом как характеристики двигателей автомобилей.

Топливом для карбюраторных двигателей служат бензины типа А-92, А-95, А-98. Цифра означает наименьшее октановое число бензина, буква – бензин для автомобилей. Октановое число может определяться по моторному или исследовательскому методу. Маркировка бензина за рубежом несколько иная, однако она соответствует показателям по октановому числу, которое определяется аналогичными методами. Для повышения детонационных свойств бензинов (стойкости) добавляют антидетонатор – тетрастилсвинец, однако за рубежом его применение иногда ограничивается законом и сейчас у нас он также не применяется. В данном случае можно применять марганцевые добавки или спиртовые. Для дизелей применяется дизельное топливо: дизельные топлива маркируются по количеству содержащейся в них серы и по температуре вспышки. В качестве топлива могут также применяться этиловый или метиловый спирт, в том числе и в качестве добавок к бензинам или дизельному топливу, что обычно приводит к улучшению сгорания и уменьшению токсичности отработавших газов. В частности, к дизельному топливу могут добавлять рапсовое топливо (рафинированное масло). Для карбюраторных двухтактных двигателей используется бензин с добавкой моторного масла, что улучшает смазывающие способности и увеличивает надежность и долговечность цилиндропоршневой группы.