Теория двигателя внутреннего сгорания
Механическая часть двигателя
- Теория двигателя внутреннего сгорания
- Screenshot_1.jpg (161.2 КБ) 210 просмотров
Принцип работы
- Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
- Screenshot_2.jpg (174.62 КБ) 208 просмотров
Бензиновый двигатель автомобиля предназначен для преобразования бензина в энергию для движения автомобиля. Самым простым способом такого преобразования является сжигание бензина в двигателе. Поэтому такие двигатели получили название двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Существует несколько типов ДВС. В качестве примера можно привести дизельные и бензиновые двигатели, обладающие своими достоинствами и недостатками.
Паровой двигатель на старых поездах и пароходах представляет собой двигатель внешнего сгорания. Топливо (уголь, дрова, масло и т. д.) сгорает снаружи двигателя и нагревает воду, а образуемый при этом пар преобразуется в энергию внутри двигателя.
По сравнению с внешним сгоранием процесс внутреннего сгорания обладает двумя основными преимуществами: он отличается большим КПД, т. е. ему необходимо меньше топлива, и для его реализации требуется двигатель меньшего размера.
Пушку времен войны за независимость в Америке 1775 1783 гг. можно считать примером устройства, в котором происходит процесс внутреннего сгорания. Солдаты заряжали пушку порохом и ядром, а затем поджигали фитиль. Образуемые в результате сгорания пороха тепло и газы выталкивали ядро из ствола пушки с очень высокой скоростью.
Другими словами, в пушке использовался основной принцип, стоящий за возвратно-поступательным движением поршня в ДВС. При сгорании незначительного количества высококалорийного топлива, например бензина, в небольшом замкнутом пространстве образуется энергия в виде расширяющегося потока газа.
4-тактный рабочий цикл
- 4-тактный рабочий цикл
- Screenshot_3.jpg (207.7 КБ) 207 просмотров
Четыре такта:
1. Такт впуска (А-В)
Поршень движется сверху вниз, впускной клапан открыт. В бензиновых двигателях в цилиндры поступает смесь воздуха и бензина, в дизельных — только воздух.
2. Такт сжатия (В-С)
Поршень движется вверх и сжимает топливовоздушную смесь, что приводит к увеличению давления и температуры. В результате повышения температуры воздуха топливо начинает испаряться. Степень сжатия в бензиновых двигателя составляет 10, в дизельных — 25.
3. Воспламенение/рабочий такт (C-D)
Поршень достигает наивысшей точки своего движения или верхней мертвой точки (ВМТ). В бензиновых двигателях смесь воспламеняется образуемой свечой зажигания электрической искрой. В дизельных двигателях топливо впрыскивается в камеру сгорания, когда поршень доходит практически до ВМТ, а смесь воспламеняется в результате образуемого при сжатии тепла. Смесь не может сгореть мгновенно при воспламенении. Следовательно, давление в камере сгорания поднимается до максимального значения только через определенный промежуток времени после воспламенения. Топливовоздушная смесь взрывается и толкает поршень вниз.
4. Такт выпуска (D-E)
Достигнув низшей точки своего движения или нижней мертвой точки (НМТ), поршень начинает движение вверх. Открывается выпускной клапан, и отработавшие газы отводятся в выпускной трубопровод.
Цикл закончен, и начинается впуск свежего заряда топлива и воздуха.
Классификация двигателей
- Классификация двигателей
- Screenshot_4.jpg (286.39 КБ) 207 просмотров
Двигатели могут быть классифицированы по следующим признакам.
• По принципу работы: бензиновые (с воспламенением от искры) или дизельные (с воспламенением от сжатия) двигатели.
• По типу системы охлаждения: двигатели с жидкостной или воздушной системами охлаждения.
• По циклу: двух- или четырехтактные двигатели.
• По типу механизма привода клапанов: двигатели с верхним распределительным валом (OHC) или двигатели с верхними клапанами (OHV).
• По числу цилиндров: 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели.
• По расположению цилиндров: рядные, V-образные или оппозитные двигатели.
В рядном двигателе цилиндры расположены в один ряд. Такой двигатель имеет блок цилиндров простой формы и одну головку цилиндров, благодаря чему двигатель отличается небольшой массой и компактностью. Рядные двигатели обычно 3 , 4 , 5 и 6 цилиндровые. V-образные двигатели имеют 6, 8, 10 или 12 цилиндров и устанавливаются в основном на больших и спортивных автомобилях. Существуют также 6 , 8 , 10 и 12 цилиндровые оппозитные двигатели. Из-за низкого центра тяжести они преимущественно используются на спортивных автомобилях.
Расположение на автомобиле
Двигатель может располагаться продольно или поперечно спереди, посередине или в задней части автомобиля. В качестве примера компоновки можно привести автомобиль с расположенным продольно спереди двигателем и приводом на заднюю ось через карданный вал, идущий от коробки передач. На небольших автомобилях применяется другая компоновочная схема: двигатель расположен спереди поперечно, крутящий момент передается на передние колеса. Это обусловлено тем, что благодаря параллельности продольной оси двигателя и ведущей оси автомобиля требуется меньше места для установки силового агрегата.
Двигатели центрального расположения главным образом применяются на спортивных автомобилях, в которых упор делается на их характеристики, а не на удобство пассажиров.
Требования к двигателям
- Требования к двигателям
- Screenshot_5.jpg (290.94 КБ) 206 просмотров
Двигатель должен отвечать определенным требованиям. Различные показатели двигателя взаимосвязаны. Кроме того, они влияют на динамические характеристики двигателя. К двигателям предъявляются следующие требования.
- • Низкая токсичность отработавших газов. Повышение эффективности процесса сгорания — основной способ уменьшения токсичности отработавших газов. Это достигается различными конструкциями камер сгорания.
- • Компактные размеры и небольшая масса. На двигатель приходится примерно 10 15% от общей массы автомобиля, поэтому для повышения эксплуатационных характеристик и снижения расхода топлива двигатель должен быть как можно более компактным и легким. При прочих равных условиях двигатель такой же мощностью, но меньшей массы будет быстрее разгонять автомобиль и потреблять меньше топлива.
- • Хорошая приемистость. Двигатель должен быстро реагировать на нажатие на педаль акселератора, что необходимо для обеспечения безопасности движения.
- • Низкий уровень шума. Процессу сгорания топливовоздушной смеси всегда сопутствует шум и вибрация. Однако необходимо принять все возможные меры, чтобы они не передавались в салон автомобиля.
- • Удобство технического обслуживания. Двигатель — это один из механических агрегатов автомобиля, поэтому необходимо обеспечить удобный доступ ко всем его узлам и деталям, требующим регулярного технического обслуживания.
Диаметр цилиндра и ход поршня, рабочий объем, степень сжатия
- Диаметр цилиндра и ход поршня, рабочий объем, степень сжатия
- Screenshot_6.jpg (213.42 КБ) 202 просмотра
Основной характеристикой двигателя является его рабочий объем. Рабочий объем цилиндра — это объем, описываемый поршнем между верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвыми точками. Рабочий объем двигателя рассчитывается сложением объемов его цилиндров, объем цилиндра — умножением площади поперечного сечения на ход поршня, а площадь поперечного сечения — исходя из диаметра цилиндра. При одинаковом количестве цилиндров и рабочем объеме двигатели могут иметь разный диаметр цилиндров и ход поршней. Рабочий объем двигателя измеряется в см3 или литрах. Степень сжатия рассчитывается делением объема цилиндра на объем камеры сгорания. Объем камеры сгорания — это пространство между головкой цилиндров и поршнем, находящимся в ВМТ.
- • Короткий ход. Короткий ход поршня используется в мощных высоконагруженных двигателях. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра равняется менее 1, т. е. значение длины хода поршня меньше диаметра цилиндра.
- • Длинный ход. Длинный ход поршня применяется для достижения высокого крутящего момента. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра равняется более 1, т. е. значение длины хода поршня больше диаметра цилиндра.
- • Ход поршня и диаметр цилиндра равны. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра равняется 1, т. е. значение длины хода поршня равняется диаметру цилиндра.
Мощность и крутящий момент двигателя
- Мощность и крутящий момент двигателя
- Screenshot_7.jpg (155.45 КБ) 201 просмотр
Основными характеристиками двигателя являются мощность и крутящий момент. Наиболее важной технической характеристикой двигателя является мощность, чаще всего выражаемая в лошадиных силах (л. с.). Лошадиная сила — единица работы — обозначает количество работы, выполненное за определенный промежуток времени. Это понятие ввел в научный обиход Джеймс Ватт, изобретатель парового двигателя в Англии. Одна лошадиная сила (л. с.) — это мощность, необходимая для поднятия 75 кг груза на 1 метр за 1 секунду. В зарубежной литературе для обозначения мощности в лошадиных силах используется аббревиатура PS (от немецкого слова «Pferdestärke»). В последнее время мощность двигателя чаще стали измерять в единицах Международной системы единиц СИ — кВт. 1 л. с. равняется примерно 735,4 Вт. Таким образом, 100 л. с. — это 73,5 кВт, а 100 кВт — это 136 л. с. В технической документации иногда встречаются понятия «полезная мощность» и «полная мощность». Полная мощность — это мощность снятого с автомобиля двигателя, а полезная — это мощность двигателя, установленного в автомобиле. Полезная мощность бензинового двигателя на 15% меньше полной мощности. Это объясняется расходованием мощности на преодоление сил трения в коробке передач, сил трения качения шин и т. п. Если не указано особо, то большее значение — это значение полной мощности. Мощность двигателя — непостоянная величина. Она повышается с ростом частоты вращения коленчатого вала, так как увеличивается количество работы, выполняемой в единицу времени. Однако вращающие детали имеют определенный предел динамических нагрузок, поэтому частота вращения коленчатого вала и, следовательно, мощность двигателя не могут быть безграничными. Поэтому указывается, при какой частоте вращения коленчатого вала двигатель развивает максимальную мощность. Например: 100 кВт при 6000 об/мин.
Крутящий момент — это скручивающее усилие, прикладываемое к вращающейся детали, например болту, колесу, коленчатому валу и т. п. Значение крутящего момента зависит не только от прикладываемой силы, но и от длины рычага, к которому данная сила прикладывается. Согласно определению крутящий момент равен произведению силы и длины рычага, которая измеряется от центра вращения до места приложения силы. Крутящий момент двигателя — это произведение действующей на поршень силы и расстояния от центральной оси шатунной шейки до центральной оси коленчатого вала. Таким образом, значение крутящего момента двигателя зависит от того, с какой силой поршень давит на шатун. Данная сила получила название силы сгорания. На графике крутящего момента показана сила, передаваемая поршнем коленчатому валу при определенной частоте вращения коленчатого вала. От коленчатого вала данная сила передается на ведущие колеса. Если двигатель имеет небольшой крутящий момент, то на колеса будет передаваться совсем малое усилие. И наоборот: при высоком крутящем моменте двигателя на колеса передается большое усилие. Величина крутящего момента двигателя зависит от многих факторов, в особенности от количества впускаемого в цилиндры воздуха. Учитывая взаимосвязь между количеством впускаемого воздуха и частотой вращения коленчатого вала двигателя, можно предположить, что при низкой частоте вращения коленчатого вала в цилиндр всасывается небольшое количество воздуха, так как поршень движется медленно. И наоборот: при высокой частоте вращения поршень перемещается быстро, и в цилиндр поступает большее количество воздуха. Однако в последнем случае существует вероятность того, что впускной клапан закроется до того, как в цилиндр поступит необходимое количество воздуха. Это приводит к снижению количества всасываемого за один ход поршня воздуха, или снижению коэффициента наполнения, что, в свою очередь, является причиной низкого крутящего момента двигателя.
Узлы и системы двигателя
- Узлы и системы двигателя
- Screenshot_8.jpg (280.92 КБ) 199 просмотров
Двигатель состоит из следующих основных узлов и систем:
- • блока цилиндров с коленчатым валом, картером, поршнями и шатунами;
- • головки цилиндров с распределительными валами, клапанами и газораспределительным механизмом;
- • системы впуска;
- • системы выпуска;
- • системы смазки;
- • системы охлаждения;
- • дополнительных систем, например турбокомпрессора.
Блок цилиндров
- Блок цилиндров
- Screenshot_9.jpg (246.32 КБ) 199 просмотров
Типы и конструкция
Блок цилиндров — это основная деталь двигателя. Изготавливается из чугуна (для дизель¬ных двигателей) или алюминиевых сплавов. Он состоит из цилиндров, в которых переме¬щаются поршни, рубашки охлаждения для поддержания требуемой температуры цилиндров и картера, в котором устанавливается коленчатый вал. Блок цилиндров представляет собой направляющие для возвратно-поступательного движения поршней. Он также принимает на себя образующуюся в результате сгорания смеси силу и температуру, охлаждает цилиндры и является опорой для коленчатого вала. Блок цилиндров должен быть очень прочным, поэтому для дизельных двигателей его чаще всего отливают из чугуна — материала, отличающего повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью и способностью выдерживать высокие значения крутящего момента.
В последнее время блоки цилиндров бензиновых двигателей изготавливаются из алюми-ниевого сплава. Благодаря небольшой массе, лучшей, чем у стали, теплопроводности алюминий является оптимальным металлом для блоков цилиндров бензиновых двигателей. Для большей прочности блок цилиндров имеет каркасную конструкцию.
Номер двигателя
Идентификационный номер двигателя выбивается на плоском участке в правой задней части блока цилиндров.
Гильза цилиндра
Движущиеся поршни соприкасаются со стенками или гильзами цилиндров. Поэтому они должны смазываться моторным маслом. К гильзам предъявляются жесткие требования по таким показателям, как износостойкость и стойкость к воздействию высоких температур. Если блок цилиндров изготовлен из чугуна, гильзы представляют собой отполированные стенки цилиндров. Если блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава, то для предотвращения износа стенок цилиндров в них вставляются изготовленные из чугуна гильзы. Однако иногда встречаются блоки цилиндров из алюминиевого сплава без гильз. Безгильзовые блоки цилиндров дороги в производстве, однако отличаются меньшей массой и компактностью, поэтому они применяются в основном в двигателях с высокими динамическими характеристиками. В двигателях KIA не используются мокрые гильзы.
Водяная рубашка
В блоке цилиндров, вокруг гильз цилиндров, имеются каналы, которые называются водяной рубашкой. Циркулирующая в ней охлаждающая жидкость отводит от цилиндров тепло, образующееся в процессе сгорания топливовоздушной смеси, что позволяет поддерживать температуру двигателя на определенном уровне. Водяные рубашки могут быть двух типов: раздельные и цельные. На последние модели устанавливаются двигатели, имеющие водяную рубашку не только в блоке цилиндров, но и во впускном коллекторе.
Картер
Навесное оборудование двигателя — генератор, компрессор кондиционера, кронштейны опор двигателя, насос гидроусилителя — крепится к картеру двигателя. Картер — это часть блока цилиндра, которая может быть выполнена с ним заодно или крепится к нему болтами. Материал картера должен выдерживать нагрузки, вызываемые крутящим моментом двигателя и вибрацией. Небольшие размеры картера с укороченной юбкой снижают общую массу блока цилиндров. Однако по сравнению с картером с удлиненной юбкой он имеет меньшую прочность соединения с блоком, так как площадь соединения небольшая. Кроме того, площадь такого картера для крепления навесного оборудования также невелика.
К нижней части картера крепится масляный поддон, служащий резервуаром для масла. Поддон также отводит от блока цилиндров часть тепла. Масляный поддон картера стальной, штампованный, крепится к блоку через уплотнительную прокладку, как и крышка головки цилиндров. Виброизоляционная стальная пластина представляет собой две стальные пластины со слоем резины между ними.
Поршень и шатун
- Поршень и шатун
- Screenshot_10.jpg (245.34 КБ) 197 просмотров
Поршень предназначен для:
- • передачи давления сгорания через поршневой палец и шатун коленчатому валу;
- • герметизации камеры сгорания со стороны картера;
- • передачи тепла стенкам цилиндров.
Юбка поршня предназначена для:
- • направления движения поршня в цилиндре;
- • передачи стенке цилиндра боковых сил;
- • распределению масляной пленки по стенке цилиндра;
- • передачи тепла от поршня стенке цилиндра и маслу.
К поршню предъявляются следующие требования:
- • небольшая масса, необходимая для снижения сил инерции возвратно-поступательного движения поршня;
- • стойкость к воздействию высокого давления и температуры.
Шатун и поршневой палец
В большинстве случаев шатуны изготавливаются из стали. Оба конца поршня закреплены шарнирно. Это необходимо для того, чтобы при движении поршня вверх и вниз он менял угол по отношению к шатуну и вращался вокруг коленчатого вала. Обычно поршневой палец запрессовывается в верхнюю головку шатуна и свободно вращается в бобышках поршня. Нижняя головка шатуна соединена с шатунной шейкой коленчатого вала через вкладыши подшипника, к нижней головке шатуна крепится болтами крышка шатунного подшипника. Во вкладыше шатунного подшипника и нижней головке шатуна имеются отверстие и канал, по которым подается масло под давлением для смазки стенки цилиндра, поршня и поршневых колец.