Описание особенностей двигателя

Описание особенностей двигателя

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.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

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.

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.

В учебнике рассматриваются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое распространение.

Основные характеристики двигателей

Основные характеристики двигателя внутреннего сгорания можно разделить на конструктивные характеристики и характеристики производительности.

К конструктивным характеристикам относятся рабочий объем, ход поршня и степень сжатия. К характеристикам производительности – мощность и крутящий момент.

Рабочий объём цилиндра двигателя – объём, расположенный между верхней и нижней мёртвой точкой поршня. Полный объём двигателя – совокупный объём всех его цилиндров.

Ход поршня – расстояние между верхней и нижней мёртвой точкой. Ход поршня подразделяется на короткий, длинный, равнозначный.

Короткий ход поршня – когда значение длинны хода поршня (мм) не превышает значение его диаметра (мм). Длинный ход поршня – когда значение длинны хода поршня (мм) превышает значение его диаметра (мм).

Равнозначный ход поршня – когда значение длинны хода поршня (мм) равно значению длины его диаметра (мм).

Степень сжатия – отношение рабочего объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Объём камеры сгорания – объём между днищем поршня и головкой блока, когда поршень находится в верхней мёртвой точке. Не путать степень сжатия с компрессией в цилиндрах двигателя.

Мощность – главный параметр оценки производительности двигателя. Мощность двигателя рассчитывается при проектировании двигателя и окончательно определяется при проведении практического испытания. Мощность двигателя это отношение работы ко времени, за которое эта работа была совершена.

Мощность = работа / время:

где: N – мощность; A – работа; T – время.

Единицами измерения мощности являются:

а) Лошадиная сила – л.с.; б) Киловатт – кВт. Идею исчислять мощность автомобильных двигателей в лошадиных силах предложил Английский изобретатель парового двигателя Джеймс Ватт. Мощность, равная 1 лошадиной силе (ЛС) – это сила, необходимая для поднятия груза, массой 75 кг. на высоту в 1 м. за время в 1 сек. Измерение мощности автомобильного двигателя в лошадиных силах используется в основном в России и Германии. Современная мировая тенденция предполагает измерение мощности двигателя в кВт. В международной системе измерения СИ существует единица измерения мощности – Вт (ватт). Соотношение лошадиной силы (ЛС) и ватт (Вт). 1(ЛС) = 735.4Вт, следовательно, 100(ЛС) = 73.5кВт, или 100кВт = 136ЛС. Мощность двигателя зависит от времени его функционирования и возрастает пропорционально увеличению количества оборотов коленчатого вала. Величина оборотов коленчатого вала характеризует работу двигателя, совершённую за определённое время. Другими словами, чем выше скорость коленчатого вала – тем большую работу совершает двигатель, тем большей он обладает мощностью. Как правило, максимальную работу двигатель совершает при максимально допустимых оборотах коленчатого вала (приблизительно 6000 об/мин.) Работа вычисляется по формуле:

где: А – работа, N – мощность, Т – время.

Крутящий момент двигателя – это сила смещения поршня, вниз, умноженная на расстояние между осью шатунной шейки и осью коренной шейки коленчатого вала, Величина крутящего момента двигателя определяется усилием, с которым поршень давит на шатун, т.е. давлением газов, выделившихся при сгорании рабочей смеси. Представленный график показывает изменение характеристики крутящего момента в зависимости от количества оборотов коленчатого вала двигателя. Как можно заметить, крутящий момент достигает максимального значения при средних оборотах коленчатого вала, а при дальнейшем их увеличении – снижается.

Что собой представляет ДВС: анализ технических характеристик

В наши дни на автомобили в основном устанавливается двигатель внутреннего сгорания. Специалисты-профессионалы отмечают достаточно сложное его устройство. Для того чтобы остановить свой выбор, при покупке автомобиля, на какой-то конкретной версии, необходимо использовать технические характеристики двигателя внутреннего сгорания для анализа устройства всего автомобиля.

Особенности

Самый главный показатель поршневого двигателя внутреннего сгорания – это количество цилиндров. Их может быть, на серийных автомобилях, от 1 до 16. Этот фактор влияет на конструктивное устройство двигателя, а так же на мощность, она может быть различной при одинаковом количестве цилиндров.

Цилиндры могут располагаться рядно и под углом друг к другу. Когда они расположены под углом, относительно коленчатого вала с обеих сторон, то на характеристики двигателя внутренного сгорания влияет угол развала. При увеличении угла смещается вниз центр тяжести двигателя, что улучшает работу систем охлаждения и смазки, наблюдается улучшение динамических показателей, повышается инерционность. При уменьшении угла снижается вес и инерционность, но ухудшается температурный режим.

Применяется в автомобилестроении оппозитный двигатель с механизмом внутренного сгорания, угол развала цилиндров которого составляет 180°, при этом максимально проявляются преимущества и недостатки ДВС. При W-образной схеме задействуется четыре и более цилиндра, и включаются они в общий привод. Очень редко применяется рядно-V-образный тип двигателей, это синтез двух типовых разновидностей. Располагаясь последовательно, несколько цилиндров наклонены под определенным углом относительно друг друга, это способствует улучшению температурных характеристик.

Важно! Отличаются между собой эти типы двигателей внутренного сгорания весом и размерами. Увеличение количества цилиндров ведет к изменению всех характеристик: увеличивается рабочий объем, увеличивается его мощность, но и расход топлива увеличивается тоже.

Материалы

Материалы, из которых изготавливают двигатели с механизмом внутреннего сгорания можно разделить на три основных группы:

1. Чугун и другие сплавы железа – достигается большая прочность, но значительно увеличивается вес.
2. Алюминий и сплавы – дают малый вес и среднюю прочность.
3. Сплавы магния – малый вес при достаточно высокой прочности, но при этом значительно возрастает стоимость.

Характеристики

В основном работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется тремя показателями: мощностью, крутящим моментом и числом оборотов коленчатого вала. Мощность обозначается лошадиными силами (л.с.), иногда выражается в киловаттах (кВт). Влияет она на общую динамику автомобиля, на его скорость и время разгона. Крутящий момент влияет на создание тягового усилия, обозначается ньютонометрами (нм), обеспечивает мягкость работы двигателя при переключении передач и обеспечивает ускорение автомобиля с низких оборотов. Показатель максимального числа оборотов коленчатого вала влияет на скоростной и динамический характер движения автомобиля.

Не менее важными являются такие характеристики мотора внутреннего сгорания:

• тип применяемого топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть бензин, газ или дизельное топливо. Марки топлива различаются октановым числом, оно должно соответствовать типу двигателя и его характеристикам. Использование несоответствующего топлива приводит к потере мощности и к снижению ресурса работоспособности двигателя;
• расход топлива двигателя внутреннего сгорания разделяется на городской, загородный и смешанный. Обозначается количеством литров на сто километров пробега автомобиля;
• расход моторного масла. Измеряется в литрах на тысячу километров пробега. Масла бывают синтетическими, полусинтетическими и минеральными, отличаются они густотой и вязкостью. Применение их регламентировано изменениями сезонных температур, зимой применяются масла с низкими обозначениями 0W40, 5W40, 10W40, а летом 15W40, 20W40. Трансмиссионные масла 70W90 или 95W100 использовать в двигатель нельзя, так как это приведет к его заклиниванию;
• ресурсная прочность – этот параметр определяет периодичность проведения технического обслуживания. Обычно работы по техническому обслуживанию двигателя проводятся в период между 5000 и 30000 километров пробега. Имеется гарантийный и послегарантийный периоды технического обслуживания.
• Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд разнообразных особенностей конструктивного характера:
• топливная система – может быть бензиновая и дизельная. Бензиновые двигатели при большем числе оборотов колен вала развивают большую мощность, а дизельные имеют большой крутящий момент и отличаются устойчивой работой;
• на современных двигателях внутреннего сгорания применяется электронная система впрыска бензина (инжекторная), она показывает лучшие технико-экономические показатели, чем карбюраторная система. Из-за плохого смешивания бензовоздушной смеси карбюраторная система имеет низкий КПД, труднорегулируемая механическая регулировка приводят к перерасходу топлива;
• система бензинового впрыска может быть одноточечного и многоточечного типа. Недостатком одноточечной системы есть то, что при резком уменьшении нагрузки происходит увеличение расхода топлива. Многоточечный тип имеет прямую и распределенную систему внутреннего впрыска. При этом создается равномернораспределенная смесь, что делает работу двигателя устойчивой на всех режимах. Но при прямом впрыске, хоть и наблюдается повышение мощности, ресурсной прочности и снижение расхода топлива значительно повышается стоимость, так как необходимо высококачественное топливо и наблюдаются провалы на малых оборотах в начале движения.

Эти недостатки исключаются применением комбинированного (двойного) впрыска. Системы используются одновременно, а электроника включает их по очереди, в зависимости от изменения нагрузочных и скоростных режимов.

Дизельные агрегаты

Дизельные двигатели проще бензиновых с системой внутренного сгорания по конструкции, однако, система впуска намного сложнее и построена по другому принципу. В ее состав входит топливный насос высокого давления (ТНВД), а так же форсунки, которые впрыскивают топливо, под высоким давлением, прямо в камеру сгорания. Работает эта совместная система достаточно устойчиво и стабильно, но требует тщательного технического обслуживания и профессиональной регулировки.

Используя комбинацию топливного насоса высокого давления с насос-форсунками на базе общей топливной рампы высокого давления, где дизельное топливо сжимается и попадает в камеру сгорания методом впрыска. На данное время эта система показывает лучшие характеристики и обеспечивает малый расход топлива.

Клапана – часть газораспределительной системы, бывают впускные и выпускные. В разных конструкциях используется от 2 до 5 на каждый цилиндр. Чем больше клапанов, тем больше мощность, так как камера сгорания больше и быстрее наполняется топливом, это характеризуется увеличенным расходом топлива.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания бывают с наддувом и без. Без наддува – атмосферные двигатели не имеют компрессора или других устройств обеспечивающих создание повышенного давления воздуха в системе впуска. С наддувом бывают компрессорные и турбинные, отличаются друг от друга типом привода.

Компрессорный наддув имеет механический привод и получает вращение от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, в результате теряется часть мощности и увеличивается расход топлива. Турбонаддув имеет привод от системы крыльчаток, раскручивающихся под давлением выхлопных газов. Эта система надежнее, отличается простотой и почти исключает потери, но при этом снижается крутящий момент, ощутимо это на низких оборотах.

Система газораспределения двигателя внутреннего сгорания включает в себя распределительные валы и их приводы. Количество их зависит от конструкции двигателя, на каждый ряд один вал, но не более чем на 8 клапанов. Передача вращения от коленвала на распредвал осуществляется посредством цепи или ремня. Цепь создает много шума, но достаточно надежная, а ремень дешевле, но быстро изнашивается.

Фазы газораспределения – величина теоретически постоянная, и зависит от формы кулачка распредвала. По мере износа кулачка изменяются фазы, падает мощность и уменьшается моторесурс двигателя внутреннего сгорания.

И напоследок, если у вас ломался ДВС, то диагностика автомобилей с выездом просто необходима в этом случае.