В настоящее время на ТС применяются в основном четырехтактные поршневые ДВС.
Одноцилиндровый двигатель (рис. а) содержит следующие основные детали: цилиндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, коленчатый вал 1 и маховик 14. Одним своим концом шатун соединяется шарнирно с поршнем при помощи поршневого пальца 5, а другим концом - также шарнирно с кривошипом коленчатого вала.
В топливе не было сжатия, но только расширение из-за его взрыва, а плунжер вернулся в исходное положение. Его дизайнером был французский инженер, бельгийское происхождение Этьен Ленуар. Конечно, он придумал идею поставить его в легкую тележку и превратить в машину - пара безуспешных попыток уклонилась от него для дальнейших экспериментов. Двигатель был не очень эффективен, потреблял огромное количество газа и жира, шел неравномерно и часто останавливался.
Спустя несколько лет его соотечественник Пьер Равель построил автомобиль с двигателем, который сожгли керосин. К сожалению, франко-прусская война сорвала попытки закончить машину - она была переполнена сараем, в котором он был построен. Благодаря этому изобретению, человек смог летать в воздухе в первый раз. С тех пор происходило быстрое развитие двигателей разных типов.
При вращении коленчатого вала происходит возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. За один оборот коленчатого вала поршень совершает по одному ходу вниз и вверх. Изменение направления движения поршня происходит в мертвых точках - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ).
Верхней мертвой точкой называется самое удаленное от коленчатого вала положение поршня (крайнее верхнее при вертикальном расположении двигателя), а нижней мертвой точкой - самое близкое к коленчатому валу положение поршня (крайнее нижнее при вертикальном расположении двигателя).
При горении поршневых двигателей движение поршня вызвано быстрым сгоранием топливной смеси с воздухом внутри цилиндров. Зажигание горючей смеси заставляет поршень отталкиваться и вращаться. Тот факт, что бензиновые и дизельные двигатели находятся в обратном направлении, мы не знаем с сегодняшнего дня. Более автомобильные компании все чаще обращают внимание на технологии, которые разрабатывают электрические и гибридные устройства. Это неудивительно - огромное влияние оказывают многие из популярных экологических заявлений, таких как «парниковый эффект», «смог» или «загрязнение воздуха».
Рис. Принципиальная схема (а) одноцилиндрового четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и его схема (б) для определения параметров:
1 - коленчатый вал; 2 - картер; 3 - шатун; 4 - цилиндр; 5 - поршневой палец; 6 - поршень; 7 - впускной клапан; 8 - впускной трубопровод; 9 - распределительный вал; 10 - свеча зажигания (бензиновые и газовые двигатели) или топливная форсунка (дизели); 11 - выпускной трубопровод; 12 - выпускной, клапан; 13 - поршневые кольца; 14 - маховик; D - диаметр цилиндра; r - радиус кривошипа; S - ход поршняВсе больше и больше автомобилей, выхлопы все меньше и меньше
На дорогах по всему миру все больше автомобилей. Это также имеет место в нашей стране, где более одного статистического дома определенно больше, чем один автомобиль. Эти транспортные средства давно перестали быть признаком роскоши - сегодня они могут иметь практически всех, и мы используем их ежедневно, отправляясь на работу или в магазины. Скажем, - тащить супермаркеты с автобусом или трамваем гораздо менее удобно и утомительно, чем вкладывать продукты в багажник и подниматься по лестнице.
Расстояние S (рис. б) между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Его рассчитывают по формуле:
S = 2r,
где r - радиус кривошипа коленчатого вала.
Ходом поршня и диаметром цилиндра D определяются основные размеры двигателя. В транспортных двигателях отношение S/D составляет 0,7 -1,5. При S/D < 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D > 1 - длинноходным.
Он был очарован тем, что таким образом было совершенно неожиданно, что такие источники энергии, как нефть или сжиженный газ, внезапно подверглись цензуре. В то время, когда технология позволяет «подгонять» свои действия таким образом, который был бы совершенно невообразимым. Направление изменений видно, но есть ли в нем более глубокая логика?
Бензиновые агрегаты становятся чище
С одной стороны, стоит понять мотивы противников этого типа движений - это проблема экологии и матери-Земли, или нашего общего блага. С другой стороны, однако, этот тип среды не может понять, что эпоха грязных и вонючих дизельных двигателей и двигателей двадцать или тридцать лет назад уже давно исчезла. И в этот момент все они хотят, чтобы эти очень популярные конструкции были отправлены в корзину истории.
При перемещении поршня вниз из ВМТ в НМТ объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим. Сумма рабочих объемов всех цилиндров представляет собой рабочий объем двигателя. Выраженный в литрах, он называется литражом двигателя. Полный объем цилиндра определяется суммой его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.
И в наши дни нормы выбросов очень высоки. Это можно увидеть, например, на примере общественного транспорта в Кракове - всех автобусов, пересекающих улицы этого города, почти 40% уже имеют двигатели, поддерживающие этот стандарт. Это лидер в Польше, затем другие польские города.
Экологи были в первую очередь обеспокоены дизельными двигателями, которые заслуживают внимания, потому что дизель является самым загрязняющим источником энергии в автомобилях. Сегодня, однако, из-за огромного социального давления мы имеем дело с людьми, которые заботятся об их чистоте, как никто.
Важной характеристикой двигателя является степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступивший в цилиндр заряд (воздух или топливо-воздушная смесь) при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия составляет 6 - 14, а у дизелей - 14 - 24. Принятая степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.
Вот почему столь важным в этом обсуждении является голос разума, который на данный момент представлен Германией. Да, многие из вас скажут, что интерес нашего западного соседа очевиден из-за того, что автомобильная отрасль является ключевой отраслью экономики. Представители правительства Германии дают понять, что у них нет планов вывести свои двигатели, но указывают на один очень важный факт. Много говорится о том, что электрические единицы более экологичны - это верно. Также неоспоримо, что подавляющее большинство нынешних по-прежнему производится из лигнита, воздействие на окружающую среду которого значительно выше, чем у автомобилей.
Работа поршневого ДВС основана на использовании давления на поршень газов, образующихся при сгорании в цилиндре смесей топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания 10, а в дизелях - вследствие сжатия. Различают понятия горючей и рабочей смесей. Горючая смесь состоит из топлива и чистого воздуха, а рабочая включает в себя также оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.
Похоже, что постоянное устранение двигателей внутреннего сгорания во многих отношениях является ненужным. Технология гибридных и электроприводов все еще очень несовершенна, а «бензин» постоянно совершенствуется с точки зрения снижения воздействия на окружающую среду. Может быть, меньше, чем сейчас, но они, конечно, не исчезнут из пейзажа, не только европейских, но и глобальных дорог. 4-тактный дизельный двигатель - Впуск, сжатие, сжигание и падение, выхлоп, дизельные двигатели с несгоревшей камерой сгорания, двигатель Отто. Определение: Он называется двигателем внутреннего сгорания любым устройством, которое получает механическую энергию непосредственно от химической энергии путем сжигания топлива в камере сгорания, которая является неотъемлемой частью двигателя.
Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех процессов, каждый из которых происходит за один ход поршня (такт), или пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. Следует отметить, что в общем случае понятия «рабочий процесс» и «такт» не являются синонимами, хотя для четырехтактного поршневого двигателя они практически совпадают.
На самом деле существуют четыре основных типа двигателей внутреннего сгорания: двигатель Отто, дизельный двигатель, газотурбинный двигатель и роторный двигатель. Дизельный двигатель используется для генераторов, он также используется в грузовиках и автобусах, а также в некоторых автомобилях. Двигатель Отто - двигатель, используемый для большинства автомобилей.
Компоненты дизельного двигателя. Существенные части Отто и дизельного двигателя совпадают. Камера сгорания состоит из замкнутого цилиндра на одном конце и поршня, скользющего сверху вниз. С помощью белой кривошипной системы поршень соединен с коленчатым валом, который передает механическую работу наружу. Роль коленчатого вала состоит в том, чтобы превратить движение поршня в движение вращения.
Рассмотрим рабочий цикл бензинового двигателя.
Первый такт рабочего цикла - впуск. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан 7 открыт, а выпускной 12 закрыт, и горючая смесь под действием разрежения поступает в цилиндр. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным рабочей смесью. У большинства бензиновых двигателей горючая смесь формируется вне цилиндра (в карбюраторе или впускном трубопроводе 8).
Система подачи топлива состоит из топливного бака и системы испарения топлива, которая может быть карбюратором на двигателе Отто или к строительным машинам последних систем впрыска. Эти системы впрыска управляются электронным способом, и их эффективность делает их используемыми на большинстве автомобилей. Воздух от сыпучего топлива и выхлопных газов контролируется механически приводимыми в действие клапанами кулачкового вала. Все двигатели требуют системы зажигания топлива, что двигатель Отто - это свеча зажигания.
Согласно второму принципу термодинамики, двигатель должен давать тепло; Как правило, это делается двумя способами: вакуумированием газов от сгорания и с использованием радиатора. При движении транспортного средства, оснащенного двигателем внутреннего сгорания, простое перемещение создает достаточно холодный воздушный поток, чтобы поддерживать температуру двигателя в допустимых пределах, но для работы двигателя и когда автомобиль неподвижен, радиатор оснащен одним или несколькими вентиляторы. Также используются системы водяного охлаждения для лодок.
Следующий такт - сжатие. Поршень перемещается обратно из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. Это необходимо для ее более быстрого и полного сгорания. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия зависит от свойств применяемого бензина, и в первую очередь от его антидетонационной стойкости, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно составляет 76 - 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (в результате сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8… 1,2 МПа, а температура достигает 450…500°С.
Стандартным двигателем Отто является 4-тактный двигатель, в котором поршень имеет четыре хода. Время 1: Впускной поршень начинается с верхнего конца цилиндра, и воздух и газовая смесь всасываются в цилиндр, так как впускной клапан открыт в конце этого времени, когда поршень достигает нижнего конца, а впускной клапан закрыт.
Время 2: адиабатическое сжатие, смесь нагревается до тех пор, пока поршень не достигнет верхнего конца. Время 3: сжигание и адиабатическое расширение; электрический разряд искры воспламеняет топливную смесь, сжигание которой происходит быстро как взрыв. Здесь альтернативное название двигателя происходит от взрыва. Давление и температура в цилиндре внезапно возрастают, и поршень толкается. Время 3 - это время двигателя, в котором механическая работа выполняется на поршне. По истечении этого времени открывается управляющий клапан.
За тактом сжатия следует расширение (рабочий ход), когда поршень из ВМТ перемещается обратно вниз. В начале этого такта, даже с некоторым опережением, горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания 10. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень перемещается до ЦМТ, приводя во вращение через шатун 3 коленчатый вал 1. В момент сгорания смеси температура в цилиндре повышается до 1800… 2 000 °С, а давление - до 2,5…3,0 МПа.
Время 4: Эвакуация обдуваемых газов в атмосферу в атмосферу начинается с процесса изохорного охлаждения до тех пор, пока газы не достигнут атмосферного давления. Поршень поднимается и выхлопные газы выпускаются, выпускной клапан открыт. В конце цикла выпускного клапана отключите впускной клапан и начните новый цикл.
Это все, что мы можем сказать о нем, но есть много чего сказать о его изобретении, которое он запатентовал. Рудольф Дизель задумал дизельный двигатель как более доступную альтернативу частным предпринимателям, учитывая переменные размеры и низкую стоимость двигателя и топлива по сравнению с паровыми двигателями, которые имели очень низкую эффективность.
Последний такт рабочего цикла - выпуск. В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь вверх от НМТ к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной трубопровод 11. Затем рабочий цикл повторяется.
Рабочий цикл дизеля имеет некоторые отличия от рассмотренного цикла бензинового двигателя. При такте впуска по трубопроводу 8 в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время следующего такта сжимается. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается дизельное топливо в мелкораспыленном состоянии. Соприкасаясь с воздухом, имеющим вследствие сжатия высокую температуру, частицы топлива быстро сгорают. Выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700…2000 °С, а давление - до 7…8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз - происходит рабочий ход. Такты выпуска у дизеля и бензинового двигателя аналогичны.
Все началось с его одержимости вторым законом термодинамики и максимальной эффективностью цикла Карно. Он весил 5 тонн, производил 20 л.с. при 172 об / мин и работал с КПД 6%. 1. Однако их производство было отложено на другой год, но это не помешало ему стать миллионером, продавая права на продажу своего изобретения.
Поняв, как это произошло, давайте также понять, как работает этот двигатель. Как работает 4-тактный дизельный двигатель. 4-тактные дизельные двигатели используются в автомобилях, локомотивах, лодках и т.д. основное отличие от четырехтактного бензинового двигателя заключается в том, что топливо впрыскивается в цилиндр и не смешивается с воздухом через впускной клапан. Вот рабочий цикл 4-тактного дизельного двигателя.
Для того чтобы рабочий цикл в двигателе происходил правильно, необходимо согласовать моменты открытия и закрытия его клапанов с частотой вращения коленчатого вала. Это осуществляется следующим образом. Коленчатый вал с помощью зубчатой, цепной или ременной передачи приводит во вращение еще один вал двигателя - распределительный 9, который должен вращаться вдвое медленнее коленчатого. На распределительном валу имеются профилированные выступы (кулачки), которые непосредственно или через промежуточные детали (толкатели, штанги, коромысла) перемещают впускные и выпускные клапаны. За два оборота коленчатого вала каждый клапан, впускной и выпускной, открывается и закрывается только один раз: во время такта впуска и выпуска соответственно.
Открыв впускной клапан, поршень перемещается вниз от верхней мертвой точки к нижнему тупику и вводит воздух в цилиндр. После закрытия клапанов поршень начинает перемещаться из нижней мертвой точки в верхнюю точку, сжимая воздух в поршне. В определенное время сжатия впрыскиваемое топливо впрыскивается в цилиндр.
Смесь паров дизельного топлива, сжатых за очень короткое время, взрывается, выталкивая поршень из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку. Выпускной клапан открывается, и впускной клапан остается закрытым и, перемещая поршень от нижнего мертвого к верхнему, выхлопные газы выпускаются из цилиндра.
Уплотнение между поршнем и цилиндром, а также удаление со стенок цилиндра излишнего масла обеспечивают специальные поршневые кольца 13.
Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: с ускорением во время рабочего хода и замедлением при остальных, вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск). Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают массивный диск - маховик 14, который во время рабочего хода накапливает кинетическую энергию, а в течение остальных тактов отдает ее, продолжая вращаться по инерции.
Во время 1, 2 и 4 движение передается от коленчатого вала к поршню, и в течение времени 3 движение передается от поршня к коленчатому валу, являясь тем, которое генерирует работу двигателя. Топливо, впрыскиваемое в цилиндр, самовоспламеняется, вступая в контакт с воздухом, сжатым в цилиндре двигателя из-за высокой температуры сжатия. Топливо впрыскивается в цилиндр с помощью инжектора.
Давление, необходимое для распыления топлива, достигается с помощью инъекционного насоса. Общая мощность дизеля составляет от 28 до дизельных двигателей, используемых в термоэлектрических установках, кораблях, локомотивах, автомобилях и т.д. Рабочий цикл дизельного двигателя.
Однако несмотря на наличие маховика, коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается недостаточно равномерно. В моменты воспламенения рабочей смеси картеру двигателя передаются значительные толчки, что быстро выводит из строя сам двигатель и детали его крепления. Поэтому одноцилиндровые двигатели применяются редко, в основном на двухколесных ТС. На других машинах устанавливают многоцилиндровые двигатели, которые обеспечивают более равномерное вращение коленчатого вала за счет того, что рабочий ход поршня в разных цилиндрах совершается неодновременно. Наиболее широкое распространение получили четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели, хотя на некоторых ТС используются также трех- и пятицилиндровые.
Многоцилиндровые двигатели обычно имеют рядное или V-образное расположение цилиндров. В первом случае цилиндры установлены в одну линию, а во втором - в два ряда под некоторым углом друг к другу. Этот угол для различных конструкций составляет 60… 120°; у четырех- и шестицилиндровых двигателей он обычно равен 90°. По сравнению с рядными V-образные двигатели такой же мощности имеют меньшую длину, высоту и массу. Нумерация цилиндров производится последовательно: сначала с передней части (носка) нумеруются цилиндры правой (по ходу движения машины) половины двигателя, а затем, также начиная с передней части, левой половины.
Равномерная работа многоцилиндрового двигателя достигается в том случае, если чередование рабочего хода в его цилиндрах происходит через равные углы поворота коленчатого вала. Угловой интервал, через который будут равномерно повторяться одноименные такты в разных цилиндрах, можно определить делением 720° (угол поворота коленчатого вала, при котором совершается полный рабочий цикл) на число цилиндров двигателя. Например, у восьмицилиндрового двигателя угловой интервал равен 90°.
Последовательность чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы должен быть таким, чтобы в наибольшей степени уменьшить отрицательное влияние на работу двигателя инерционных сил и моментов, возникающих из-за того, что поршни движутся в цилиндрах неравномерно и их ускорение меняется по величине и направлению. У четырехцилиндровых рядных и V-образных двигателей порядок работы может быть такой: 1 - 2 - 4 - 3 или 1 - 3 - 4-2, у шестицилиндровых рядных и V-образных двигателей - соответственно 1 - 5—3 - 6 - 2-4 и 1 - 4 - 2 - 5 - 3 - 6, а у восьмицилиндровых V-образных двигателей - 1 - 5 - 4 - 2- 6 - 3 - 7 - 8.
С целью более эффективного использования рабочего объема цилиндров и повышения их мощности в некоторых конструкциях поршневых двигателей осуществляют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува, т. е. создания на входе в цилиндр избыточного давления, чаще всего применяют газотурбинные компрессоры (турбокомпрессоры). В этом случае для нагнетания воздуха используется энергия отработавших газов, которые, выходя с большой скоростью из цилиндров, вращают турбинное колесо турбокомпрессора, установленное на одном валу с насосным колесом. Кроме турбокомпрессоров применяют также механические нагнетатели, рабочие органы которых (насосные колеса) приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя с помощью механической передачи.
Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью (бензиновые двигатели) или чистым воздухом (дизели), а также более полной их очистки от отработавших газов клапаны должны открываться и закрываться не в моменты нахождения поршней в ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах через углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, называются фазами газораспределения и могут быть представлены в виде круговой диаграммы.
Впускной клапан начинает открываться во время такта выпуска предыдущего рабочего цикла, когда поршень еще не достиг ВМТ. В это время отработавшие газы выходят через выпускной трубопровод я вследствие инерции потока увлекают за собой из открывшегося впускного трубопровода частицы свежего заряда, которые начинают наполнять цилиндр даже при отсутствии разрежения в нем. К моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения вниз впускной клапан уже открыт на значительную величину, и цилиндр быстро наполняется свежим зарядом. Угол а опережения открытия впускного клапана у различных двигателей колеблется в пределах 9…33°. Впускной клапан закроется тогда, когда поршень пройдет НМТ и начнет двигаться вверх на такте сжатия. До этого времени свежий заряд заполняет цилиндр по инерции. Угол р запаздывания закрытия впускного клапана зависит от модели двигателя и составляет 40… 85°.
Рис. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя:
а - угол опережения открытия впускного клапана; р - угол запаздывания закрытия впускного клапана; у - угол опережения открытия выпускного клапана; б - угол запаздывания закрытия выпускного клапана
Выпускной клапан открывается во время рабочего хода, когда поршень еще не достиг НМТ. При этом работа поршня, необходимая для вытеснения отработавших газов, уменьшается, компенсируя некоторую потерю работы газов из-за раннего открытия выпускного клапана. Угол Y опережения открытия выпускного клапана составляет 40…70°. Выпускной клапан закрывается несколько позднее прихода поршня в ВМТ, т. е. во время такта впуска следующего рабочего цикла. Когда поршень начнет опускаться, оставшиеся газы по инерции еще будут выходить из цилиндра. Угол 5 запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 9… 50°.
Угол а + 5, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие того что этот угол и зазоры между клапанами и их седлами в данном случае малы, утечки заряда из цилиндра практически нет. Кроме того, наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается за счет большой скорости потока отработавших газов через выпускной клапан.
Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это связано с тем, что у быстроходных двигателей все процессы газообмена происходят быстрее, а инерция заряда и отработавших газов не изменяется.
Рис. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина компрессора; 4 - силовая турбина; М - вращающий момент, передаваемый к трансмиссии машины
Принцип действия газотурбинного двигателя (ГТД) поясняет рисунок. Воздух из атмосферы засасывается компрессором 2, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 2, куда также подается топливо через форсунку. В этой камере происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают р турбину компрессору 3, где часть их энергии затрачивается на приведение в действие компрессора, нагнетающего воздух. Оставшаяся часть энергии газов преобразуется в механическую работу вращения свободной или силовой турбины 4, которая через редуктор связана с трансмиссией машины. При этом в турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления от максимального значения (в камере сгорания) до атмосферного.
Рабочие части ГТД в отличие от аналогичных элементов поршневого двигателя постоянно подвергаются воздействию высокой температуры. Поэтому для ее снижения в камеру сгорания ГТД необходимо подавать значительно больше воздуха, чем это требуется для процесса сгорания.
Самые известные и широко применяемые во всем мире механические устройства — это двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС). Ассортимент их обширен, а отличаются они рядом особенностей, например, количеством цилиндров, число которых может варьироваться от 1 до 24, используемым топливом.
Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания
Одноцилиндровый ДВС можно считать самым примитивным, несбалансированными и имеющими неравномерный ход, несмотря на то, что он является отправной точкой в создании многоцилиндровых двигателей нового поколения. На сегодняшний день они применяются в авиамоделировании, в производстве сельскохозяйственных, бытовых и садовых инструментов. Для автомобилестроения массово применяются четырехцилиндровые двигатели и более солидные аппараты.
Как функционирует и из чего состоит?
Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет сложное строение и состоит из:
- Корпуса, включающего в себя блок цилиндров, головку блока цилиндров;
- Газораспределительного механизма;
- Кривошипно-шатунного механизма (далее КШМ);
- Ряда вспомогательных систем.
КШМ является связующим звеном между энергией выделяемой при сгорании топливо-воздушной смеси (далее ТВС) в цилиндре и коленвалом, обеспечивающим движение автомобиля. Газораспределительная система отвечает за газообмен в процессе функционирования агрегата: доступ атмосферного кислорода и ТВС в двигатель, и своевременное выведение газов, образовавшихся во время горения.
Устройство простейшего поршневого двигателя
Вспомогательные системы представлены:
- Впускной, обеспечивающей поступление кислорода в двигатель;
- Топливной, представленной системой впрыска ;
- Зажигание, обеспечивающее искру и воспламенение ТВС для двигателей, работающих на бензине (дизельные двигатели отличаются самовоспламенением смеси от высокой температуры);
- Системой смазки, обеспечивающую уменьшение трения и износа соприкасающихся металлических деталей с помощью машинного масла;
- , которая не допускает перегрева рабочих деталей двигателя, обеспечивая циркуляцию специальных жидкостей типа тосол;
- Выпускной системой, обеспечивающей выведение газов в соответствующий механизм, состоящей из выпускных клапанов;
- Системой управления, обеспечивающей наблюдение за функционирование ДВС на уровне электроники.
Основным рабочим элементом в описываемом узле считается поршень двигателя внутреннего сгорания , который и сам является сборной деталью.
Устройство поршня ДВС
Пошаговая схема функционирования
Работа ДВС основывается на энергии расширяющихся газов. Они являются результатом сгорания ТВС внутри механизма. Это физический процесс принуждает поршень к движению в цилиндре. Топливом в этом случае могут служить:
- Жидкости (бензин, ДТ);
- Газы;
- Монооксид углерода как результат сжигания .
Работа двигателя — это непрерывный замкнутый цикл, состоящий из определенного количества тактов. Наиболее распространены ДВС двух видов, различающихся количеством тактов:
- Двухтактные, производящие сжатие и рабочий ход;
- Четырехтактные – характеризуются четырьмя одинаковыми по продолжительности этапами: впуск, сжатие, рабочий ход, и завершающий – выпуск, это свидетельствует о четырехкратном изменении положения основного рабочего элемента.
Начало такта определяется расположением поршня непосредственно в цилиндре:
- Верхняя мертвая точка (далее ВМТ);
- Нижняя мертвая точка (далее НМТ).
Изучая алгоритм работы четырехтактного образца можно досконально понять принцип работы двигателя автомобиля .
Принцип работы двигателя автомобиля
Впуск происходит путем прохождения из верхней мёртвой точки через всю полость цилиндра рабочего поршня с одновременным втягиванием ТВС. Основываясь на конструкционных особенностях, смешивание входящих газов может происходить:
- В коллекторе впускной системы, это актуально, если двигатель бензиновый с распределенным или центральным впрыском;
- В камере сгорания, если речь идет о дизельном двигателе, а также двигателе, работающем на бензине, но с непосредственным впрыском.
Первый такт проходит с открытыми клапанами впуска газораспределительного механизма. Количество клапанов впуска и выпуска, время их пребывания в открытом положении, их размер и состояние износа являются факторами, влияющими на мощность двигателя. Поршень на начальном этапе сжатия размещён в НМТ. Впоследствии он начинает перемещаться вверх и сжимать накопившуюся ТВС до размеров, определенных камерой сгорания. Камера сгорания – это свободное пространство в цилиндре, остающееся между его верхом и поршнем в верхней мертвой точке.
Второй такт предполагает закрытие всех клапанов двигателя. Плотность их прилегания напрямую влияет на качество сжатия ТВС и ее последующее возгорание. Также на качество сжатия ТВС оказывает большое влияние уровень износа комплектующих двигателя. Она выражается в размерах пространства между поршнем и цилиндром, в плотности прилегания клапанов. Уровень компрессии двигателя является главным фактором, оказывающим влияние на его мощность. Он измеряется специальным прибором компрессометром.
Рабочий ход начинается когда к процессу подключается, генерирующая искру. Поршень при этом находится в максимальной верхней позиции. Смесь взрывается, выделяются газы, создающие повышенное давление, и поршень приводится в движение. Кривошипно-шатунного механизм в свою очередь активирует вращение коленвала, обеспечивающего движение автомобиль. Все клапаны систем в это время находятся в закрытом положении.
Выпускной такт является завершающим в рассматриваемом цикле. Все выпускные клапаны находятся в открытом положении, давая возможность двигателю «выдохнуть» продукты горения. Поршень возвращается в исходную точку и готов к началу нового цикла. Это движение способствует выведению в выпускную систему, а затем в окружающую среду, отработанных газов.
Схема работы двигателя внутреннего сгорания , как уже говорилось выше, основана на цикличности. Рассмотрев детально, как работает поршневой двигатель , можно резюмировать, что КПД такого механизма не более 60%. Обусловлен такой процент тем, что в отдельно взятый момент рабочий такт выполняется лишь в одном цилиндре.
Не вся энергия, полученная в это время, направлена на движение автомобиля. Часть её расходуется на поддержание в движении маховика, который по инерции обеспечивает работу автомобиля во время трех других тактов.
Некоторое количество тепловой энергии невольно тратится на нагревание корпуса и отработанных газов. Вот почему мощность двигателя автомобиля определяется количеством цилиндров, и как следствие, так называемым объемом двигателя, рассчитанным по определенной формуле как суммарный объем всех рабочих цилиндров.