Описание особенностей мотора и процесса его разработки

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это самый распространенный тип двигателя из всех, которые устанавливаются в настоящее время на автомобили. Несмотря на то, что современный двигатель внутреннего сгорания состоит из тысячи частей, принцип его работы весьма прост. В рамках данной статьи мы рассмотрим устройство и принцип работы ДВС.

Внизу страницы смотрите видео, на котором наглядно показано устройство и принцип работы бензинового ДВС.

В каждом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндр и поршень. Именно внутри цилиндра ДВС происходит преобразование тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, в энергию механическую, способную заставить наш автомобиль двигаться. Этот процесс повторяется с частотой несколько сотен раз в минуту, что обеспечивает непрерывное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Принцип работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

В подавляющем большинстве легковых автомобилей устанавливают четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, поэтому мы и берём его за основу. Чтобы лучше понять принцип устройства бензинового ДВС, предлагаем вам взглянуть на рисунок:

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Топливно-воздушная смесь, попадая через впускной клапан в камеру сгорания (такт первый – впуск), сжимается (такт второй – сжатие) и воспламеняется от искры свечи зажигания. При сжигании топлива, под воздействием высокой температуры в цилиндре двигателя образуется избыточное давление, заставляющее поршень двигаться вниз к так называемой нижней мертвой точке (НМТ), совершая при этом такт третий – рабочий ход. Перемещаясь во время рабочего хода вниз, с помощью шатуна, поршень приводит во вращение коленчатый вал. Затем, перемещаясь от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) поршень выталкивает отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему автомобиля – это четвертый такт (выпуск) работы двигателя внутреннего сгорания.

Давайте ещё раз повторим определения, а затем посмотрим это видео.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня. Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, обычно называют рабочим циклом , в данном случае, двигателя внутреннего сгорания.

1. Такт первый – ВПУСК. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, при этом возникает разряжение и полость цилиндра ДВС заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Смесь, попадая в камеру сгорания, смешивается с остатками отработавших газов. В конце впуска давление в цилиндре составляет 0,07–0,095 МПа, а температура 80-120 ºС.
2. Такт второй – СЖАТИЕ. Поршень движется к ВМТ, оба клапана закрыты, рабочая смесь в цилиндре сжимается, а сжатие сопровождается повышением давления (1,2–1,7 МПа) и температуры (300-400 ºС).
3. Такт третий – РАСШИРЕНИЕ. При воспламенении рабочей смеси в цилиндре ДВС выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура (до 2500 градусов по Цельсию). Под давлением поршень перемещается к НМТ. Давление равно 4–6 МПа.
4. Такт четвертый – ВЫПУСК. Поршень стремится к ВМТ через открытый выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выпускной трубопровод, а затем в окружающую среду. Давление в конце цикла: 0,1–0,12 МПа, температура 600-900 ºС.

И так, вы смогли убедиться, что двигатель внутреннего сгорания устроен не очень сложно. Как говорится, все гениальное – просто. А для большей наглядности рекомендуем посмотреть видео, на котором также очень хорошо показан принцип работы ДВС.

Видео: как устроен двигатель внутреннего сгорания

Особенности рабочего процесса дизельных двигателей. Часть 1

Часть 1. Теоретический и действительный циклы работы дизельного двигателя

Рабочий процесс дизельных двигателей отличается от рабочего процесса других двигателей внутреннего сгорания.

Если в цилиндры карбюраторных двигателей поступает горючая смесь, состоящая из паров топлива и воздуха, то в цилиндры дизельных – только воздух. Благодаря высокой степени сжатия давление воздуха в конце хода сжатия резко возрастает, а температура его значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Мелко распыленное топливо, впрыскиваемое в цилиндр под большим давлением, самовоспламеняется, и происходит процесс сгорания.

В двигателях, работающих по циклу Дизеля, давление газов при сгорании топлива остается постоянным (рис. 4). Действительный цикл работы тихоходных дизельных двигателей близок к теоретическому. Однако рабочий процесс быстроходных дизельных двигателей, к которым относятся автомобильные двигатели, имеет свои особенности. Для воспламенения первых частиц топлива, впрыскиваемых в цилиндр, требуется некоторый период времени, называемый периодом задержки воспламенения.

Такая задержка необходима для подготовки топлива к самовоспламенению. В нем под действием высокого давления и температуры происходят определенные физические и химические процессы, предшествующие воспламенению. Чем выше давление и температура, тем быстрее протекают эти процессы. За период задержки воспламенения в камеру сгорания успевает поступить значительная часть порции впрыскиваемого топлива, поэтому в результате его воспламенения и сгорания давление и температура в камере резко повышаются.

Благодаря этому создаются более благоприятные условия для воспламенения частиц топлива, поступающих вслед за сгоревшими: они сгорают почти сразу же после впрыскивания в цилиндр. Давление в этот период процесса сгорания остается почти неизменным. Поскольку в первый период сгорания давление резко возрастает, а затем остается постоянным, цикл работы быстроходного дизельного двигателя называют смешанным.

Следовательно, при работе двигателя по смешанному циклу часть топлива сгорает при постоянном объеме, а часть — при постоянном давлении.

Действительный рабочий процесс быстроходного дизельного двигателя может быть графически изображен диаграммой (рис. 5).

Пользуясь диаграммой, рассмотрим процесс работы четырехтактного дизельного двигателя.

Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.). Впускной клапан открыт, и под действием разрежения из впускного трубопровода в цилиндр поступает воздух (линия 1-2 на диаграмме). При этом давление в цилиндре составляет 0,085—0,095 МПа, а температура воздуха – 40-60°С.

Такт сжатия. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. После закрытия впускного клапана цилиндр разобщается с внешней средой и в нем происходит сжатие воздуха. Благодаря высокой степени сжатия давление в цилиндре к концу этого такта повышается до 4,0-5,0 МПа (линия 2-3), а температура сжатого воздуха достигает 620-700°С.

Когда поршень приближается к в.м.т., в цилиндр через форсунку впрыскивается под большим давлением мелко распыленное топливо, самовоспламеняющееся под действием высокой температуры сжатого воздуха. В результате сгорания топлива давление газов в цилиндре повышается до 6,0-8,0 МПа (линия 3-4), а температура газов достигает 1800-2000°С.

Такт расширения. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. Оба клапана закрыты, и в цилиндре происходит расширение продуктов сгорания, сопровождающееся падением давления и температуры. При этом расширяющиеся газы выполняют полезную работу. Под их действием поршень совершает поступательное движение, преобразуемое кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала. К моменту открытия выпускного клапана давление в цилиндре снижается до 0,3-0,4 МПа (линия 4-5), а температура газов – до 600-700°С.

Такт выпуска. При открытии выпускного клапана (точка 5 на диаграмме) давление в цилиндре сразу резко падает. Поршень, совершая движение от н.м.т. к в.м.т., вытесняет отработавшие газы через открытый выпускной клапан и выпускной трубопровод в атмосферу. Вследствие сопротивления отработавших газов давление в цилиндре превышает атмосферное и составляет в среднем около 0,12 МПа (линия 6-1). Отработавшие газы сохраняют высокую температуру (около 600°С).

Величина давления в цилиндрах дизельного двигателя в период сжатия и сгорания значительно выше, чем у карбюраторных двигателей, поэтому конструкция дизельных двигателей должна быть более прочной.

Этапы проектирования двигателя

Проектирование двигателя состоит из следующих этапов:

1) Обоснование необходимости создания нового двигателя и связанные с этим научно-технические исследования.

2) Выполнение конструкторского проекта

3) Изготовление и испытания опытных образцов

4) Доводка и сдача заказчику

5) Серийное производство

Обоснование необходимости создания того или иного дви­гателя проводят в основном на стадии разработки типажа. При этом используют методы научного прогнозирования с учетом потребностей отдельных отраслей народного хозяйства в со­здаваемом двигателе. После того как вопрос о целесообразно­сти создания двигателя решен, проводят научные исследования в области рабочего процесса, конструктивных схем, приме­няемых материалов и др. для обеспечения высоких технико-экономических показателей будущего двигателя.

Техническое задание не содержит описания конкретных элементов будущей конструкции, а определяет назначение двигателя, его техниче­ские характеристики, показатели качества рабочего процесса, состав конструкторской документации, сроки выполнения про­екта, программу выпуска. Техническое задание содержит также технико-экономические сведения о разрабатываемом двигателе, оценку его технического уровня. Техническое задание соста­вляется разработчиком изделия на базе обоснованных технико-экономических требований заказчика. В работе над ним уча­ствуют и конструкторы. На основании согласованного техниче­ского задания между потребителем и заводом-изготовителем составляется договор, в котором указываются основные этапы выполнения работ. Далее приступают к составлению конструк­торского проекта, т.е. к подготовке конструкторской докумен­тации. Конструкторская документация включает данные об устройстве двигателя и все необходимые материалы для разра­ботки конструкции, изготовления, контроля, приемки, испыта­ний, эксплуатации и ремонта.

На основании утвержденного технического задания кон­структоры двигателя готовят техническое предложение, отра­жающее техническое направление проекта. После согласования и утверждения технического предложения разрабатывают тех­нические условия на проектирование.

Конструкторский проект состоит из эскизного, технического и рабочего проектов. В зависимости от особенностей проекти­руемого двигателя и условий, предъявляемых заводом-изгото­вителем, порядок выполнения конструкторского проекта может быть различным. Например, при создании двигателя на базе существующего и при его серийном производстве эскизный проект может не составляться.

Эскизная часть проекта включает в себя:

1) Маркетинговые исследования (могут проводится 5 – 10 – 15 лет). Они отвечают на вопросы что, как, зачем и по какой цене выпускать. Исследуют рынок предполагаемых продаж, фирмы конкуренты, их продукцию и её характеристики.

2) Разработка концепции ДВС. На этой стадии выбирается размерность двигателя, компоновка основных узлов и систем, выбор параметров систем (основными требованиями сейчас является: Модульность конструкции, ресурс ДВС до 60 тыс. часов, давление сгорания ок. 200 Бар, и т.д.)

3) Проектирование эскиза двигателя

– Поперечный разрез двигателя (на поперечном разрезе двигателя уточняются силовая схема, привод газораспределительного механизма, конструкция топливной аппаратуры, компоновка основных деталей и узлов)

– чертежи основных узлов и необ­ходимые дополнительные чертежи (разрез по передачам и т. п.).

– Разработка в объеме основных деталей и узлов ДВС

На этой стадии составляют также пояснительную записку с техническими характеристиками двигателя, описанием его конструкции, расчетами: тепловым, динамическим, на про­чность и технико-экономическим.

После утверждения эскизного проекта составляют техниче­ский проект двигателя. Объем конструкторской документации на стадии технического проекта существенно увеличивается, так как добавляются чертежи узлов двигателя и его систем, перечни комплектующих изделий, специального инструмента.

Технический проект включает в себя:

– Разработку чертежей отдельных узлов двигателя, его систем

– Пояснительную записку, в которой приводят обзор существующих кон­струкций двигателей подобного класса со сравнительной оцен­кой заложенных в данном проекте и достигнутых показателей, включая данные по зарубежным аналогам.

– Рассматривают вопросы технологии из­готовления, масштабов производства, экономической эффек­тивности, техники безопасности и т.д.

– Выполняют технические расчеты подробно и в полном объеме.

Как правило, параллельно с техническим проектом разрабатывают необходимую документацию и изготовляют одноцилиндровые установки или V-образные отсеки (иногда отсеки более сложной конструкции), на которых доводят рабо­чий процесс двигателя, а также конструкцию поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения и т.д. Параллельно разрабатывают технические условия на поставку двигателя.

После утверждения технического проекта переходят к соста­влению рабочего проекта.

Рабочийпроект включает в себя:

– Рабочие чертежи для каждой детали

– Технические усло­вия на изготовление, приемку, хранение и транспортирование деталей

– Ориентировочно определяют расход материа­лов

– Составляют данные по покупным деталям и узлам

– Техни­ческий паспорт и инструкцию по эксплуатации и монтажу

– Про­ект программы испытаний.

Конструкторская документация должна удовлетворять требованиям ЕСКД. В зависимости от типа и размеров двигателя может быть изготовлена опытная партия развернутых двигателей для проведения доводочных ис­пытаний, а также последующих испытаний в реальных усло­виях эксплуатации, с учетом которых составляют технические условия на поставку двигателя.

Один или несколько опытных образцов двигателя подвер­гают заводским длительным доводочным испытаниям. Осталь­ная часть опытной партии может испытываться в условиях экс­плуатации. Затем по согласованию с потребителем проводят приемочные, межведомственные или государственные испыта­ния, как правило, на специальных стендах в экспериментальном цехе. В ходе этих испытаний устанавливают соответствие дви­гателя техническому заданию, требованиям стандартов и тех­нической документации, а также дают оценку его технического уровня. По итогам испытаний утверждается техническая доку­ментация для серийного производства двигателя. Однако и по­сле начала выпуска двигателя продолжается изучение опыта эксплуатации, доработка технической документации и дальней­шее совершенствование двигателя с целью поддержания его технического уровня в соответствии с уровнем отечественного и мирового двигателестроения.

Предприятия изготовители при проектировании нового двигателя стараются сделать новый двигатель многоцелевым (для армии, отраслевого и гражданского использования). Первоначально разрабатывают базовую модель (на Коломенском заводе 12 цилиндров), а в дальнейшем развивают типоразмерный ряд (8, 12, 16, 20 цилиндров)

При проектировании на Коломенском заводе используют 138 компьютерных программ различного назначения (SolidAGE, Nastran, SolidWorks, Unigrafics, Unsys, КОМПАС).

Основными покупателями продукции Коломенского завода являются: ОАО РЖД, ВМФ и Атомэнергопроект (лицензию на поставку двигателей в атомную энергетику имеют только фирмы Zultser, MTU, Pielstick и КЗ)

Жизненный цикл изделия составляет 30 – 40 лет. Он состоит из следующих этапов:

– Научно-исследовательские работы (поиск и приобретение сведений о конструкции и характеристиках аналогов в России и за рубежом)

– Опытно конструкторские работы

– Технологическая подготовка (Разработка ТП, оснастки и инструмента для производства двигателя)

– Отработка опытного образца (изготовление и испытания одного отсека и рабочей модели базового варианта)

– Обработка полученных опытных данных с помощью компьютерных моделей рабочего процесса