Особенности двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному типу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
двигатели внешнего сгорания - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т. п. Из двигателей этой группы в учебнике рассмотрены только двигатели Стирлинга, так как их конструкции близки конструкциям двигателей внутреннего сгорания;
двигатели внутреннего сгорания. В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким двигателям относятся поршневые и комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.
Принципиальные схемы двигателей внутреннего сгорания показаны на рис. 1.
У поршневого двигателя (рис. 1,а) основными деталями являются: цилиндр крышка (головка) цилиндра; картер поршень; шатун; коленчатый вал впускные и выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное коленчатым валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
В газовых турбинах (рис. 1, б) сжигание топлива происходит в специальной камере сгорания. Топливо в нее подается насосом через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания компрессором, установленным на одном валу с рабочим колесом газовой турбины. Продукты сгорания через направляющий аппарат поступают в газовую турбину.
Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток специального профиля, расположенных на диске и образующих вместе с последним вращающееся рабочее колесо, может работать с высокой частотой вращения. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов лопаток (многоступенчатые турбины) позволяет более полно использовать энергию горячих газов. Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем газовых турбин позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.
Рис. 1. Схемы двигателей внутреннего сгорания
В жидкостных реактивных двигателях (рис. 1, в) жидкое топливо и окислитель тем или иным способом (например, насосами) подаются под давлением из баков в камеру сгорания. Продукты сгорания расширяются в сопле и вытекают в окружающую среду с большой скоростью. Истечение газов из сопла является причиной возникновения реактивной тяги двигателя.
Положительным свойством реактивных двигателей следует считать то, что реактивная тяга их почти не зависит от скорости движения установки, а мощность ее возрастает с увеличением скорости поступления в двигатель воздуха, т. е. с повышением скорости движения. Это свойство используют при применении турбореактивных двигателей в авиации. Основные недостатки реактивных двигателей - относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.
Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин (или устройств), а также устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части комбинированного двигателя используется поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части, или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно. Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь их с поршневой частью и между собой определяются назначением комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны комбинированные двигатели, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном или осевом компрессоре (последний пока не получил распространения), причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части.
Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а во второй наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении.
Комбинированный двигатель, одна из широко распространенных схем которого показана на рис. 2, состоит из поршневой части, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие еще высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего колеса газовой турбины, которая передает крутящий момент компрессору. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.
Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определенная масса воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т. е. получить большую мощность.
Основные преимущества комбинированного двигателя - малые объем и масса, приходящаяся на 1 кВт, а также высокая экономичность, часто превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.
Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.
Рис. 2. Схема комбинированного двигателя
В учебнике рассматриваются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое распространение.
К атегория: - Устройство и работа двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания известен более века, и почти cтолько же, а точнее с 1886 года он используется на автомобилях. Принципиальное решение такого вида двигателей было найдено немецкими инженерами Э. Лангеном и Н. Отто в 1867 году. Оно оказалось довольно удачным, для того чтобы обеспечить данному типу двигателей лидирующее положение, сохранившееся в автомобилестроении и в наши дни. Однако изобретатели многих стран неустанно стремились построить иной двигатель, способный по важнейшим техническим показателям превзойти поршневой двигатель внутреннего сгорания. Какие же это показатели? Прежде всего, это так называемый эффективный коэффициент полезного действия (КПД), который характеризует, какое количество теплоты, находившееся в израсходованном топливе, преобразовано в механическую работу. КПД для дизельного двигателя внутреннего сгорания равен 0,39, а для карбюраторного - 0,31. Другими словами, эффективный кпд характеризует экономичность двигателя. Не менее существенны удельные показатели: удельный занимаемый объем (л.с./м3) и удельная масса (кг/л.с.), которые свидетельствуют о компактности и легкости конструкции. Не менее важное значение имеет способность двигателя приспособляться к различным нагрузкам, а также трудоемкость изготовления, простота устройства, уровень шумов, содержание в продуктах сгорания токсичных веществ. При всех положительных сторонах той или иной концепции силовой установки период от начала теоретических разработок до внедрения ее в серийное производство занимает подчас очень много времени. Так, создателю роторно-nоршневого двигателя немецкому изобретателю Ф. Ванкелю потребовалось 30 лет, несмотря на его непрерывную работу, для того чтобы довести свой агрегат до промышленного образца. К месту будет сказано, что почти 30 лет ушло на то, чтобы внедрить дизельный двигатель на серийном автомобиле ("Бенц", 1923 г.). Но не технический консерватизм стал причиной столь длительной задержки, а в необходимости исчерпывающе отработать новую конструкцию, то есть создать необходимые материалы и технологию для возможности ее массового производства. Данная страница содержит описание некоторых типов нетрадиционных двигателей, но которые на практике доказали свою жизнеспособность. Поршневой двигатель внутреннего сгорания обладает одним из самых существенных своих недостатков - это достаточно массивный кривошипно-шатунный механизм, ведь с его работой связаны основные потери на трение. Уже в начале нашего века делались попытки избавиться от такого механизма. С того времени было предложено множествo хитроумных конструкций, преобразующих возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала такой конструкции.
Бесшатунный двигатель С. Баландина
Преобразование возвратно-поступательного движения поршневой группы во вращательное движение осуществляет механизм, который основан на кинематике "точного прямила". То есть, два поршня соединены жестко штоком, воздействующим на коленчатый вал, вращающийся с зубчатыми венцами в кривошипах. Удачное решение задачи нашел советский инженер С. Баландин. В 40 - 50-х годах он спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов, где шток, который соединял поршни с преобразующим механизмом, не делал угловых качаний. Такая бесшатунная конструкция, хотя и была в некоторой степени сложнее механизма, занимала меньший объем и на трение обеспечивала меньшие потери. Надо отметить, что аналогичный по конструкции двигатель испытывался в Англии в конце двадцатых годов. Но заслуга С. Баландина состоит в том, что он рассмотрел новые возможности преобразующего механизма без шатуна. Поскольку шток в таком двигателе не качается относительно поршня, тогда можно с другой стороны поршня тоже пристроить камеру сгорания с конструктивно несложным уплотнением штока проходящего через ее крышку.
Роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля
Имеет трехгранный ротор, который совершает планетарное движение округ эксцентрикового вала. Изменяющийся объем трех полостей, образованных стенками ротора и внутренней полости картера, позволяет осуществить рабочий цикл теплового двигателя с расширением газов. С 1964 года на серийных автомобилях, в которых устанавливаются роторно-поршневые двигатели, поршневую функцию выполняет трехгранный ротор. Требуемое в корпусе перемещение ротора относительно эксцентрикового вала обеспечивается планетарно-шестеренчатым согласующим механизмом (см. рисунок). Такой двигатель, при равной мощности с поршневым двигателем, компактнее (имеет меньший на 30 % объем), легче на 10-15%, имеет меньше деталей и лучше уравновешен. Но уступал при этом поршневому двигателю по долговечности, надежности уплотнений рабочих полостей, больше расходовал топлива, а отработавшие газы его содержали больше токсичных веществ. Но, после многолетних доводок, эти недостатки были устранены. Однако производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями серийно, сегодня ограничено. Помимо конструкции Ф. Ванкеля, известны ногочисленные конструкции роторно-поршневых двигателей других изобретателей (Э. Кауэртца, Г. Брэдшоу, Р. Сейрича, Г. Ружицкого и др.). Тем не менее, объективные причины не дали им возможность выйти из стадии экспериментов - зачастую из-за недостаточного технического достоинства.
Газовая двухвальная турбина
Из камеры сгорания газы устремляются на два рабочих колеса турбины, связанных каждое с самостоятельными валами. От правого колеса в действие приводится центробежный компрессор, с левого - отбирается мощность направляемая к колесам автомобиля. Воздух, нагнетаемый им, попадает в камеру сгорания проходя через теплообменник, где подогревается отработавшими газами. Газотурбинная силовая установка при той же мощности компактней и легче двигателя внутреннего сгорания поршневого, а также хорошо уравновешена. Менее токсичны и отработавшие газы. В силу особенностей ее тяговых характеристик, газовая турбина может использоваться на автомобиле без КПП. Технология производства газовых турбин давно освоена в авиационной промышленности. По какой же причине, учитывая ведущиеся уже свыше 30 лет эксперименты с газотурбинными машинами, не идут они в серийное производство? Главная основание - маленький в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания эффективный КПД и низкая экономичность. Также, газотурбинные двигатели достаточно дороги в производстве, так что в настоящее время встречаются они только лишь на экспериментальных автомобилях.Паровой поршневой двигатель
Пар поочередно подается то две противоположные стороны поршня. Подача его регулируется золотником, который скользит над цилиндром в парораспределительной коробке. В цилиндре шток поршня уплотнен втулкой и соединен с достаточно массивным крейцкопфным механизмом, который преобразует его возвратно-поступательное движение во вращательное.Двигатель Р.Стирлинга. Двигатель внешнего сгорания
Два поршня (нижний - рабочий, верхний - вытеснительный) соединены с кривошипным механизмом концентричными штоками. Газ, находящийся в полостях над и под вытеснительным поршнем, нагреваясь попеременно от горелки в головке цилиндра, проходит через теплообменник, охладитель и обратно. Циклическое изменение температурыгаза сопровождается изменением объема и соответственно действием на перемещение поршней. Подобные двигателя работали на мазуте, дровах, угле. К их достоинствам относятся долговечность, плавность работы, отличные тяговые характеристики, что позволяет обойтись вообще без коробки передач. Основные недостатки: внушительная масса силового агрегата и низкий КПД. Опытные разработки недавних лет (например, американца Б. Лира и др.) позволили сконструировать агрегаты замкнутого цикла (с полной конденсацией воды), подобрать составы парообразующих жидкостей с показателями более выгодными, чем вода. Тем не менее, на серийное производство автомобилей с паровыми двигателями не осмелился ни один завод за последние годы. Тепловоздушный двигатель, идею которого предложил Р.Стирлинг еще в 1816 году относится к двигателям внешнего сгорания. В нем рабочим телом служат гелий или водород, находящийся под давлением, попеременно охлаждаемые и нагреваемые. Такой двигатель (см. рисунок) в принципе прост, имеет меньший расход топлива, чем внутреннего сгорания поршневые двигатели, при работе не выделяет газов, которые имеют вредные вещества, а также имеет высокий эффективный КПД, равный 0,38. Однако внедрению двигателя Р. Стирлинга в серийное производство мешают серьезные трудности. Он тяжел и очень громоздок, медленно набирает обороты по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Более того, в нем сложно технически обеспечить надежное уплотнение рабочих полостей. Среди нетрадиционных двигателей особняком стоит керамический, который конструктивно не отличается от традиционного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Только его важнейшие детали изготавливаются из керамического материала, способного выдерживать температуры в 1,5 раз более высокие, нежели металл. Соответственно керамическому двигателю не требуется система охлаждения и таким образом, нет потерь в тепле, которые связаны с его работой. Это дает возможность сконструировать двигатель, который будет работать по так именуемому адиабатическому циклу, что обещает существенное сокращение расхода топлива. Тем временем подобные работы ведутся американскими и японскими специалистами, но пока не выходят из стадии поиска решений. Хотя в опытах с разнообразными нетрадиционными двигателями по-прежнему недостатка нет, доминирующее положение на автомобилях, как уже отмечалось выше, сохраняют и, возможно еще долго будут сохранять поршневые четырехтактные двигателя внутреннего сгорания.ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям создание такой машины реализовать было нельзя.
В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.
Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей высок.
Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра.
Принцип работы поршневых ДВС
Рассмотрим принцип работы поршневых ДВС на примере четырехтактного карбюраторного двигателя (двигатель Отто). Схема цилиндра с поршнем такого двигателя и диаграмма изменения давления газа в его цилиндре в зависимости от положения поршня (индикаторная диаграмма) показаны на рис. 11.1.
Первый такт двигателя характеризуется открытием впускного клапана 1к и за счет перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) втягиванием воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр. На индикаторной диаграмме это линия 0-1, идущая от давления окружающей среды Р ос в область разряжения, создаваемую поршнем при его движении вправо.
Второй такт двигателя начинается при закрытых клапанах движением поршня от НМТ до ВМТ. При этом происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры (линия 1-2). Перед тем как поршень достигнет ВМТ, происходит воспламенение топлива, в результате чего происходит дальнейшее увеличение давления и температуры. Сам процесс сгорания топлива (линия 2-3) завершается уже при прохождении поршнем ВМТ. Второй такт двигателя считается завершенным при достижении поршнем ВМТ.
Третий такт характеризуется перемещением поршня от ВМТ до НМТ, (рабочий такт). Только в этом такте получается полезная механич.работа. Полное сгорание топлива завершается в (3) и на (3-4) происходит расширение продуктов сгорания.
Четвертый такт двигателя начинается при достижении поршнем НМТ и открытии выхлопного клапана 2к. При этом давление газов в цилиндре резко падает и при движении поршня в сторону ВМТ газы выталкиваются из цилиндра. При выталкивании газов в цилиндре давление больше атмосферного, т.к. газам необходимо преодолеть сопротивление выхлопного клапана, выхлопной трубы, глушителя и т.п. в выхлопном тракте двигателя. Достигнув поршнем положения ВМТ, клапан 2к закрывается и цикл ДВС начинается заново с открытия клапана 1к и т.д
Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой 0-1-2-3-4-0, соответствует двум оборотам коленчатого вала двигателя (полных 4 такта двигателя). Для расчета мощности ДВС применяется среднее индикаторное давление двигателя Р i . Это давление соответствует площади 0-1-2-3-4-0 (рис.11.1), деленной на ход поршня в цилиндре (расстояние между ВМТ и НМТ). Используя индикаторное давление, работу ДВС за два оборота коленчатого вала можно представить в виде произведения Р i на ход поршня L (площадь заштрихованного прямоугольника на рис.11.1) и на площадь сечения цилиндра f. Индикаторная мощность ДВС в расчете на один цилиндр в киловаттах определяется выражением
, (11.1)
где Р i – среднее индикаторное давление, кПа;f – площадь поперечного сечения цилиндра, м 2 ;L – ход поршня, м;n – число оборотов коленчатого вала, с -1 ;V=fL – полезный объем цилиндра (между ВМТ и НМТ), м 3 .
ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Как было выше сказано, тепловое расширение применяется в двигателях внутреннего сгорания. Но каким образом оно применяется и какую функцию выполняет мы рассмотрим на примере работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на:
газовые турбины;
поршневые двигатели;
реактивные двигатели.
В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.
В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.
В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.
Наиболее экономичными являются двигатели внутреннего сгорания поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:
1. по способу смесеобразования:
а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.
б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.
2. по виду применяемого топлива:
а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);
б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);
в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).
3. по способу воспламенения горючей смеси:
а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);
б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).
4. по способу осуществления рабочего цикла:
а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;
б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.
5. по числу и расположению цилиндров:
а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)
б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);
в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).
6. по способу охлаждения:
а) двигатели с жидкостным охлаждением;
б) двигатели с воздушным охлаждением.
7. по назначению:
а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;
б) двигатели стационарные;
в) двигатели специального назначения.
Тепловое расширение
Поршневые двигатели внутреннего сгорания
Классификация ДВС
Основы устройства поршневых ДВС
Принцип работы
Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя
Принцип действия четырехтактного дизеля
Принцип действия двухтактного двигателя
Рабочий цикл четырехтактного двигателя
Рабочие циклы двухтактных двигателей
ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ
Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность
Эффективная мощность и средние эффективные давления
Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива
Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива
Тепловой баланс двигателя
Инновации
Введение
Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров.
Важную роль играет автомобильный транспорт в освоении восточных и нечерноземных районов нашей страны. Отсутствие развитой сети железных дорог и ограничение возможностей использования рек для судоходства делают автомобиль главным средством передвижения в этих районах.
Автомобильный транспорт в России обслуживает все отрасли народного хозяйства и занимает одно из ведущих мест в единой транспортной системе страны. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок.
Автомобильный транспорт создан в результате развития новой отрасли народного хозяйства - автомобильной промышленности, которая на современном этапе является одним из основных звеньев отечественного машиностроения.
Начало создания автомобиля было положено более двухсот лет назад (название "автомобиль" происходит от греческого слова autos - "сам" и латинского mobilis - "подвижный"), когда стали изготовлять "самодвижущиеся" повозки. Впервые они появились в России. В 1752 г. русский механик-самоучка крестьянин Л.Шамшуренков создал довольно совершенную для своего времени "самобеглую коляску", приводимого в движение силой двух человек. Позднее русский изобретатель И.П.Кулибин создал "самокатную тележку" с педальным приводом. С появлением паровой машины создание самодвижущихся повозок быстро продвинулось вперед. В 1869-1870 гг. Ж.Кюньо во Франции, а через несколько лет и в Англии были построены паровые автомобили. Широкое распространение автомобиля как транспортного средства начинается с появлением быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886 г. К.Бенц - трехколесную повозку. Примерно в это же время в индустриально развитых странах (Франция, Великобритания, США) создаются автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
В конце XIX века в ряде стран возникла автомобильная промышленность. В царской России неоднократно делались попытки организовать собственное машиностроение. В 1908 г. производство автомобилей было организовано на Русско-Балтийском вагоностроительном заводе в Риге. В течение шести лет здесь выпускались автомобили, собранные в основном из импортных частей. Всего завод построил 451 легковой автомобиль и небольшое количество грузовых автомобилей. В 1913 г. автомобильный парк в России составлял около 9000 автомобилей, из них большая часть - зарубежного производства. После Великой Октябрьской социалистической революции практически заново пришлось создавать отечественную автомобильную промышленность. Начало развития российского автомобилестроения относится к 1924 году, когда в Москве на заводе АМО были построены первые грузовые автомобили АМО-Ф-15.
В период 1931-1941 гг. создается крупносерийное и массовое производство автомобилей. В 1931 г. на заводе АМО началось массовое производство грузовых автомобилей. В 1932 г. вошел в строй завод ГАЗ.
В 1940 г. начал производство малолитражных автомобилей Московский завод малолитражных автомобилей. Несколько позже был создан Уральский автомобильный завод. За годы послевоенных пятилеток вступили в строй Кутаисский, Кременчугский, Ульяновский, Минский автомобильные заводы. Начиная с конца 60-х гг., развитие автомобилестроения характеризуется особо быстрыми темпами. В 1971 г. вступил в строй Волжский автомобильный завод им. 50-летия СССР.
За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности.
Двигатели внутреннего сгорания
В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.
2. Двигатели внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания
топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.
Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.
А теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.
В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:
1. всасывание;
2. сжатие;
3. горение и расширение;
4. выхлоп.
Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей.
Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС.
Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.
К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.
Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.
Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки часов без пополнения горючего.
Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках.
Положительным качеством дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута.
Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.
Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т.е. силовое воздействие, создание больших давлений, которую выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС.