История создания двигателя внутреннего сгорания Википедия
Тепловые машины (в основном, паровые) с момента появления отличались большими габаритами и это обусловленно в значительной степени применением внешнего сгорания (требовались: котлы, конденсаторы, испарители, теплообменники, тендеры, насосы, водяные резервуары и др.). В то же время основная (функциональная) часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Поэтому мысль изобретателей всё время возвращалась к возможности совмещения топлива с рабочим телом двигателя, позволившего затем значительно уменьшить габариты интенсифицировать процессы впуска и выпуска рабочего тела. Облегчение двигателей позволило устанавливать их на транспорте, в том числе даже на самолёт. Современные самолёты (кроме небольшого количества на электромоторах) комплектуются исключительно двигателями внутреннего сгорания — реактивными, турбореактивными, или поршневыми.
Прогресс в области ДВС тесно увязан с открытием и применением различных топлив, включая синтезированные. Поскольку состав рабочего тела (получающегося сгоранием топливо-воздушной смеси), теплотворная способность, скорость сгорания смеси, и параметры цикла (степень сжатия) зависит от применённого топлива, оно и определяет в значительной части массо-габаритные и мощностные показатели таких двигателей. Топливо ДВС определяет устройство последнего, и вообще возможность его создания. Первым таким топливом стал светильный газ.
Газовый двигатель Лебона[ | ]
В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. Изобретатели взялись за конструирование двигателей, способных заменить паровую машину, при этом топливо сгорало бы не в топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение
Двигатель Ленуара[ | ]
История двигателя внутреннего сгорания
Главное устройство любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.
В ходе исторического развития транспортных двигателей механическая работа движения осуществлялась за счет применения:
1) мускульной силы человека и животных;
2) силы ветра и потоков воды;
3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;
4) электрической и химической энергии;
5) солнечной и ядерной энергии.
Записи о попытках построить самоходные средства передвижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускульным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.
Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.
Эта коляска, вполне вместительная для перевозки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоновым на рубеже XVIII и XIX вв.
Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако большие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправдались. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построенный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных остановок через каждые 15 минут движения.
Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удачные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начиная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил несколько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона,
а в 1887 — автомобили Леона Серполе, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенератор с почти мгновенным испарением воды.
Паровые автомобили Серполе конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г. Вместе с тем совершенствование паровых двигателей в качестве транспортных двигателей продолжается и сегодня в направлении снижения их массогабаритных показателей и повышения коэффициента полезного действия.
Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось попытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Россия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические автомобили. Их появление связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недостаточная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двигателями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.
Электромобили имеют достаточно высокие преимущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тяговой характеристикой и большими ускорениями за счет возрастающего крутящего момента при снижении числа оборотов; используют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на городском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.
Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобретатель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топлива светильный газ.
Еще в 1801 г. француз Филипп де Бонне предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смесительную камеру и оттуда в цилиндр двигателя, где смесь воспламенялась от электрической искры. Появление этого проекта считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоз-душной смеси.
Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.
Практически все современные бензиновые и газовые двигатели до настоящего времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме).
Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных смесей и предварительного сжатия в цилиндрах. Официально изобретателями транспортных двигателей, работающих на жидких фракциях перегонки нефти, признаны три немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;
Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;
Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с самовоспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.
Здесь следует отметить, что первые двигатели внутреннего сгорания, работающие на легких фракциях перегонки нефти, были созданы в России. Так, в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован ив 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилиндровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппаратов.
В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.
Русский конструктор Е. А. Яковлев спроектировал и построил моторный экипаж с керосиновым двигателем.
Успешно работали над созданием экипажей и двигателей русские изобретатели и конструкторы: Ф. А. Блинов, Хайданов, Гурьев, Махчанский и многие Другие.
Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремление к повышению литровой мощности, а следовательно, и к получению наиболее компактного двигателя. После нефтяного кризиса 70 — 80 гг. основным требованием стало получение максимальной экономичности. Последние 10 — 15 лет XX в. главными критериями для любого двигателя стали постоянно растущие требования и нормы по экологической чистоте двигателей и прежде всего по коренному снижению токсичности отработавших газов при обеспечении хорошей экономичности и высокой мощности.
Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурентов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требований по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Эти требования и жесткие условия конкуренции на мировом рынке достаточно быстро изменили типаж силовых установок для транспортных средств и прежде всего для легкового транспорта. Сегодня различные системы впрыска топлива с различными системами управления, включая электронные, практически полностью вытеснили использование карбюраторов на двигателях легковых автомобилей.
Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомобильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная промышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двигателестроения на выпуск новых типов двигателей. Вместе с тем Россия имеет хороший научно-исследовательский задел по созданию перспективных двигателей и квалифицированные кадры специалистов, способных достаточно быстро реализовать имеющийся научный и конструкторский задел в производстве. За последние 8 — 10 лет разработаны и изготовлены принципиально новые опытные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия. В 1995 г. разработана и внедрена на Заволжском моторном заводе и на Нижне-Новгородском автозаводе микропроцессорная система управлением топливоподачей и зажиганием, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1. Разработаны и изготовлены образцы двигателей с микропроцессорной системой управления топливоподачей и нейтрализаторами, удовлетворяющие экологические требования ЕВРО-2. В этот период учеными и специалистами НАМИ разработаны и созданы: перспективный турбокомпаундный дизель, серия дизельных и бензиновых экологически чистых двигателей традиционной компоновки, двигатели, работающие на водородном топливе, плавающие транспортные средства высокой проходимости с щадящим воздействием на грунт и т. п.
Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе. Основные конкуренты поршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных партий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.
Источник: Колчин А.И., Демидов В.П. — Конструкция и расчет автотракторных двигателей, 2008 г.
azbukadvs.ru
История развития двиателя | Двигатель автомобиля
Чтобы понять сложность современных двигателей и систем управления, стоит обратиться к истории развития моторостроения. Две мировые войны, за которыми следовали годы кризиса и подъема, одновременно и стимулировали и в то же время тормозили технический прогресс. Многие системы, предлагаемые как «новые», зачастую были изобретены давно, но не находили практического воплощения и применения. Иногда разработки оказывались ненадежными из-за некачественных материалов или требовали слишком больших производственных издержек. Новые материалы и стремительный прогресс в электронике открыли для многих разработок новые перспективы. Внедрение новых технологий и систем теперь происходит через все более короткие промежутки времени. Так, к примеру, исчезновение распределительных валов из двигателей легковых автомобилей — всего лишь вопрос времени, работой клапанов совсем скоро станут управлять очень быстро переключающиеся гидравлические, электрогидравлические и электрические устройства. Это обеспечит полную регулируемость системы газораспределения. Различные способы наддува станут в малолитражных бензиновых двигателях таким же стандартом, как турбонаддув в дизелях. Понятие «downsizing» (англ. «уменьшение размеров») становится реальностью. Не исключено, что однажды между бензиновыми и дизельными двигателями останутся лишь незначительные различия, и способ сгорания будет определяться лишь залитым в бак топливом. В средне- и долгосрочной перспективе мир двигателей внутреннего сгорания завоюют совершенно новые, доселе считавшиеся нереальными способы организации процесса сгорания и виды топлива.
100 лет моторостроения — сравнительный анализ
| Оценочный параметр | Двигатель гоночного автомобиля 1913 | Серийный двигатель 1992 | Современный двигатель |
| Тип двигателя | 4-цилиндровый, 4-тактный бензиновый | 4-цилиндровый, 4-тактный бензиновый | 4-цилиндровый, 4-тактный бензиновый |
| Смесеобразование | Карбюратор | Многоточечный впрыск | Непосредственный впрыск |
| Число клапанов на цилиндр | 4 | 4 | 4 |
| Ход поршня/диаметр цилиндра, мм | 160/94 | 86/86 | 94,6/86 |
| Ход/диаметр | 1,7 | 1 | 1,1 |
| Рабочий объем, см3 | 4441 | 1998 | 2198 |
| Степень сжатия е | 5,1 | 10,5 | 12 |
| Макс, мощность кВт/л.с. при частоте вращения, мин^-1 | 60/82, 2800 | 110/150, 6000 | 114/155, 6000 |
| Макс, крутящий момент Нм при частоте вращения, мин^-1 | 240, 1700 | 196, 4800 | 220, 3800 |
| Мин. удельный расход топлива, г/кВт*Ч | 400 | 232 | <220 |
| Макс, расход топлива, л / 100 км | 30-40 | 18-14 | 6,5-10,9 |
| Эффективное среднее давление Ре, бар | 7,2 | 13,4 | 13,7 |
| Максимальное давление сгорания Р ,бар | 16 | 77,1 | 80 |
| Выполнение норм по ОГ | Ненормировано | Норма US 93, Евро-2 | Евро-5 |
| Масса двигателя (сухая), кг | 220 | 120 | 115 |
| Ускорение от 0 до 100 км/ч, с | 20 | 8,5 | 9,8 |
| Макс, скорость, км/ч | 150 | 223 км/ч | 210 км/ч |
В таблице приведено сравнение параметров высокомощного двигателя гоночного автомобиля образца 1913 года и обычных серийных двигателей легковых автомобилей, выпускавшихся в 1992-м и 2005-м годах. Между этими двигателями — почти 100 лет развития моторостроения. Сравнение интересно тем, что все три двигателя изготовлены одним и тем же производителем, и все они работают по одному и тому же принципу.
Рис. Сравнение кривых мощности и давления в цилиндрах двигателей
Изображенные на рисунке характеристики мощности и степени сжатия двигателей делают прогресс в моторостроении очевидным. В ближайшие годы в моторостроении следует ожидать дальнейших инноваций. Особенно впечатляет сравнение расхода топлива и норм токсичности ОГ при увеличении мощности и крутящего момента. Так, например, современным приборам не удалось измерить токсичность выхлопных газов у двигателя образца 1913 года — просто не хватило диапазона измерения.
Мощность современных двигателей и их системы управления
Современные двигатели — это продукты высоких технологий в чистом виде. Под капотами автомобилей сегодня скрываются агрегаты поистине адской мощности. К примеру, у восьмицилиндрового двигателя при частоте вращения коленчатого вала 5800 мин^-1 через впускные каналы за минуту проходит 11 300 литров свежего воздуха со скоростью 325 км/ч. Насос охлаждающей жидкости за секунду прогоняет до 4,5 л ОЖ. Более 23000 воспламенений в минуту разгоняют поршни массой 535 г при температуре 3000°С и под давлением 5,7 т до скорости 100 км/ч за 0,0002 секунды. Каждый из 32 кулачков по 48 раз в секунду с усилием 140 кг воздействует на один из 32 толкателей, а отработавшие газы при температуре 960°С со скоростью звука устремляются в направлении катализатора.
И вся эта чудовищная, невероятная мощь укрощается, регулируется и контролируется скромным маленьким компьютером. Электроника управления двигателем регистрирует количество, плотность и температуру всасываемого воздуха, обеспечивая смешивание его с топливом, дозируемым с точностью до миллиграмма или тысячной доли миллилитра. Она регулирует момент появления искры зажигания напряжением в 30000 В с точностью до 0,000001 с. Для идеального выполнения своей задачи электроника управления двигателем получает по CAN-шине до тысячи сообщений в секунду от других электронных систем и многочисленных датчиков, которые она затем обрабатывает со скоростью 10-20 млн операций в секунду. Постоянная проверка измеренных значений, сравнение с запрограммированными номиналами и адаптивная подстройка к оптимальным условиям эксплуатации — обычная работа для автомобильной электроники. После базового программирования электронные системы сами могут оптимально адаптироваться к тому или иному двигателю и компенсировать изменения. Путем использования сотен характеристик, кривых и констант можно осуществить быструю и точную адаптацию ко всем режимам работы.
Без электроники сегодняшние двигатели потребляли бы на 25-30 % больше топлива, при этом о стабильности параметров их работы можно было бы забыть, как и о соблюдении предписанных норм токсичности. Ожидаемый срок службы агрегатов оказался бы заметно короче. Раньше электроника считалась дорогой, ненадежной и неремонтопригодной. Однако механика достигла пределов своих возможностей, и дальнейшее развитие концепций управления двигателями по традиционному пути оказалось невозможным. Двух- и трехкамерные карбюраторы для подготовки топливно-воздушной смеси оказались слишком дорогими и сложными, многие СТО были просто перегружены заказ-нарядами на их обслуживание и регулировку. Точно определить текущие условия эксплуатации было невозможно. Выход был найден только в применении электроники.
В моторном отсеке автомобиля электронике приходится работать при температурах от -40 °С до +150°С. Добавьте сюда грязь, пыль и влажность, а также удары и вибрацию при проезде неровностей, кратковременные ускорения, в сто раз превышающие ускорение свободного падения. Но, даже работая в таких условиях, последние поколения электронных систем управления двигателями могут совершать десятки миллионов операций в секунду. Однако применение технологий самообучения сделает данные системы еще сложнее. В то же время они смогут реагировать на условия окружающей среды так же быстро, как и на изменения в двигателе. В определенных пределах системы смогут самостоятельно реагировать на изменение условий эксплуатации и компенсировать возникающие неисправности. Станет возможной индивидуальная адаптация электронных систем к конкретному двигателю.
Оптимальные параметры работы новых двигателей определяются во время стендовых испытаний. При этом определяется, записывается и обрабатывается более 6500 значений с интервалом 0,1 с. Затем происходит адаптация полученных данных к реальным условиям эксплуатации двигателя и автомобиля. При этом учитывается и то, что в конечном итоге автомобилем будет управлять человек.
Основу современных систем бортовой диагностики (OBD) заложили электронные системы управления двигателями Motronic, которые традиционно делились на системы управления впрыском топлива и системы управления зажиганием. Отличие современных систем Motronic состоит в производительности электронного блока управления двигателем и использовании многочисленных характеристик, кривых и констант. В блоках управления помимо информации об управлении впрыском обрабатываются также все необходимые данные для управления зажиганием. Современные системы работают адаптивно, а потому не требуют постоянных регулировок и обслуживания. С ростом производительности модулей памяти и процессоров можно записывать все больше и больше характеристик, кривых, фиксированных значений, констант и дополнительных функций. Идеальные значения используются для сравнения с фактическими и для адаптивных процессов регулирования. Программы для движения в аварийном режиме и вспомогательные функции становятся все объемнее. Усложняется обмен данными с другими электронными системами автомобиля по CAN-шине — блоком управления КПП, системой управления динамикой и пр. Лишь с использованием этих систем стала возможной современная бортовая диагностика.
Рис. Производительность современной системы управления двигателем
Примечание. Приведенные величины являются ориентировочными и в отдельных системах могут оказаться выше или ниже. При этом в ближайшие годы следует ожидать дальнейшего роста производительности электронных модулей и процессоров. В среднем она удваивается через каждые полтора года.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Дизельный двигатель – история и развитие.
Дизельный двигатель постепенно теряется на фоне современных разработок в мировом автопроме, сдавая позиции перед многочисленными запретами и ограничениями. А ведь именно дизельный двигатель стал настоящим прорывом в автомобильной промышленности, и заслуживает того, дабы мы еще раз вспомнили старого друга, благодаря которому огромные расстояния перестали быть проблемой для человечества.
История создания дизельного двигателя.
Для начала напомним, что дизельный двигатель – это уникальный механизм, направленный на получение энергии внутреннего сгорания. Спектр используемого топлива для дизелей очень широк, и включает в себя даже растительные варианты горючего (масла и жир).
Предпосылкой для создания дизельного двигателя стала идея цикла Карно (1824 г.), которая заключалась в процессе теплообмена с максимальным КПД на выходе. Более современный вид эта идея получила в 1890 году, когда знаменитый Рудольф Дизель создал практический образец реализации цикла Карно, а в 1892 году, он уже получил патент на создание данного вида двигателя. Первый действующий образец движка был создан Дизелем в начале 1897 года, а в конце января он уже подвергся испытаниям.
В начале своего пути, дизельный двигатель значительно уступал паровому в плане размеров, и не имел успеха в практическом применении. Первые образцы двигателей работали исключительно на легких нефтепродуктах и маслах. Но были попытки запускать двигатель и на угольном топливе, что повлекло за собой полный провал, из-за проблем с подачей угольной пыли в цилиндры.
В 1898 году, в Петербурге также был сконструирован двигатель, который по своему принципу был полностью схож с дизельным. В России данный тип механизма получил название «Тринклер-мотор», который по своим характеристикам, согласно испытаниям, был гораздо более совершенным, чем немецкий аналог. Преимуществом «Тринклер-мотора» стало использование гидравлики, которая значительно улучшала показатели по сравнению с воздушным компрессором. Плюс, сама конструкция была в разы проще и надежнее немецкой.
В том же 1898 году, Эммануил Нобель выкупил права на производство дизельного двигателя, который был усовершенствован, и работал уже на нефти. А на рубеже веков, гениальный российский инженер Аршаулов, изобрел уникальную систему – топливный насос высокого давления, что также стало прорывом в процессе усовершенствования дизельного двигателя.
В двадцатых годах 20-го века, немецкий ученый Роберт Бош провел еще одно усовершенствование топливного насоса высокого давления, а также создал уникальную конструкцию бескомпрессорной конструкции. С тех пор, дизельные двигатели начали получать массовое распространение, и использоваться в общественном транспорте и железной дороге, а 50-60-е годы, дизельные двигатели массово используются при сборке обычных пассажирских автомобилей.
Принцип работы дизельных двигателей.
Существуют два варианта работы дизелей:
- Двухтактный цикл;
- Четырехтактный цикл.
Наиболее популярен четырехтактный цикл работы дизельных двигателей: впуск (поступления воздуха в цилиндр), сжатие (в цилиндре сжимается воздух), рабочий ход (процесс сгорания топлива в цилиндре), выпуск (выход отработанных газов из цилиндра). Данный цикл является бесконечным, и постоянно повторяется с механической точностью в процессе работы двигателя.
Двухтактный цикл работы двигателя отличается укороченными процессами, где газообмен осуществляется в продувке, едином процессе работы механизма. Такие двигатели применяются в морских судах и железнодорожном транспорте. Двухтактные двигатели строятся исключительно с неразделенными камерами сгорания.
Преимущества и недостатки.
Мощность КПД современных дизелей составляет 40-45 %, а некоторых образцов – 50%. Несомненным плюсом таких двигателей являются низкие требования к качеству топлива, что позволяет использовать не самые дорогие нефтяные продукты для работы механизма.
При использовании дизелей в автомобилях, такой двигатель дает высокий вращающийся момент, при низких оборотах самого механизма, что делает авто комфортным в движении. Благодаря этому данный тип движка и популярен в промышленных автомобилях, где ценится мощь механизма.
Дизельные двигатели имеют гораздо меньшую вероятность возгорания, благодаря нелетучему топливу, что делает их максимально безопасными при эксплуатации. Именно дизельные двигатели стали залогом для прогресса военной бронированной техники, делая ее максимально безопасной для экипажа.
Недостатков у дизеля также хватает, и заключаются они в топливе, которое имеет свойство застаиваться в зимнее время, и выводит механизм из строя. Плюс ко всему, дизельные двигатели делают слишком много вредных выбросов в атмосферу, что и стало причиной борьбы экологов с данным типом механизма. Само изготовление дизельного двигателя обходится производителям дороже, чем бензинового, что заметно отображается на бюджетных затратах производства.
Эти основные моменты и послужили причиной того, что количество дизельных двигателей в мировом машиностроительстве будет уменьшаться и, с большой долей вероятности, ограничится лишь промышленным автопромом, где дизель является незаменимым агрегатом. Но, именно дизель оставил глубокий след в процессе создания автопромышленности, как таковой, и всегда будет оставаться важнейшим прорывом в мировой автомобильной инженерии.
Вконтакте
Одноклассники
Google+
novinki-autoproma.ru
История развития ДВС — часть 3
3.2. Основы устройства поршневых ДВС
Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала .
Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.
Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.
Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.
Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.
Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя .
Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном . Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр ,поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.
Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение — нижняя мертвая точка (НМТ) .
Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.
Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д — диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i — число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность .
3. 3. Принцип работы
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к .давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы — расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
3.4. Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом:
1. Такт впуска По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 — 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь .
2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ.В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 — 1200 С. 4. Такт выпуска . При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод .
3.5. Принцип действия четырехтактного дизеля
В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:
1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60 С.
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом .
3. Такт расширения, или рабочий ход . Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное
давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ -происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900 С.
4. Такт выпуска . Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Для обобщения на показаны схемы рабочего цикла карбюраторных двигателей и дизелей.
3.6. Принцип действия двухтактного двигателя
Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных
двигателей — продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное 6 и продувочное, которое сообщается клапаном скривошипной камерой двигателя.
mirznanii.com
