История автомобиля неразрывно связана с историей двигателя, приводимого в движение автомобиль. Первые автомобили снабжались паровыми машинами, которые были весьма несовершенны в смысле затрат топлива и поначалу полезная отдача едва доходила до 1%. Лишь через несколько лет она достигла 8%, поэтому паровая машина не удовлетворяла конструкторов.
Тогда вновь начали интересоваться другими видами двигателей.
Первыми тепловыми двигателями были ДВС, изобретенные приблизительно в начале ХVIII века – Гюйгенсом была предложена машина, работавшая взрывами пороха, который выгонял воздух из цилиндра, а затем при охлаждении поршень передвигался давлением наружного воздуха.
Серьезное соревнование паровых машин, которые можно назвать двигателями «с наружным сгоранием, и двигателей «с внутренним сгоранием» топлива началось только тогда, когда перешли на газообразное, а затем жидкое топливо.
С 1860 года применяют горение газа внутри цилиндра, но потребление газа было весьма велико.
Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания появился в 1860 году, изобретен он был французским инженером Ленуаром. В связи с отсутствием предварительного сжатия рабочего тела и неудачным конструктивным решением двигатель Ленуара представлял собой крайне несовершенную тепловую установку, которая не могла конкурировать даже с паровыми машинами того времени.
Исходя из предложенного в 1862 г. французским инженером Бо де Роша рабочего цикла ДВС с предварительным сжатием рабочего тела и сгоранием при постоянном объеме, немецкий механик Николаус Август Отто в 1870 г. создал четырехтактный газовый двигатель, явившийся прообразом современных карбюраторных двигателей. По своим показателям двигатель Отто значительно превзошел паровые машины и в течение ряда лет использовался в качестве стационарного двигателя.
Необходимо было перейти на жидкое топливо, чтобы сделать ДВС применимым для передвижения. Одновременно необходимо было уменьшить вес двигателя.
Жидкое топливо требовало предварительного обращения его в газ, что и происходило во многих типах машин в самом цилиндре. Неудобство подобного способа заставило применять особый прибор – карбюратор , в котором горючая жидкость превращалась раньше, чем поступала в цилиндр.
Начали применять легко испаряемый вид жидкого топлива – бензин, потому что нелегко было предварительно нагревать топливо на передвижной машине.
Параллельно велись работы по увеличению мощности за счет увеличения числа цилиндров.
Впервые бензиновый двигатель транспортного типа был предложен в 1879 г. и затем выполнен в 1881 г. в металле русским инженером И.С. Костовичем.
Двигатель Костовича по своему времени имел оригинальную конструкцию и отличался очень высокими показателями. В этом восьмицилиндровом было применено электрическое зажигание с оригинальной системой и использованы противолежащие цилиндры. При мощности 80 л.с. двигатель весил 240 кг, опережая по удельному весу на 2-3 десятилетия все получившие в последующем распространение карбюраторные двигатели.
Уменьшение веса было достигнуто резким скачком опытов Г. Даймлера в Германии в 80 х годах ХIХ века, когда впервые был построен двигатель с большим числом оборотов, что позволило движущимся частям производить большую работу.
Паровые машины в этом отношении были окончательно побеждены.
1890 год, когда впервые появились автомобили с быстроходными двигателями, можно считать началом широкого распространения а/м.
Начало развития двигателей с самовоспламенением от сжатия относится к 90-м годам ХIХ века. В 1894 г. немецкий инженер Р. Дизель теоретически разработал рабочий цикл двигателя с самовоспламенением от сжатия. Сделав ряд отступлений от своих теоретических предпосылок, в 1897 г. Р. Дизель выполнил в металле первый образец работоспособного стационарного компрессорного двигателя.
В дальнейшем вследствие ряда конструктивных недостатков этот двигатель не получил широкого распространения и был снят с производства.
Внеся ряд оригинальных изменений в двигатель Дизеля, в 1899 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил конструкцию двигателя с самовоспламенением от сжатия, работающего без особого компрессора для распыливания топлива.
Двигатели Г.В. Тринклера и Я.В. Мамина представляли собой первые модели транспортных двигателей с самовоспламенением от сжатия и явились прообразами всех используемых в настоящее время дизелей.
Появившиеся в середине прошлого века роторные двигатели при их неоспоримых преимуществах перед поршневыми двигателями в области мощностей не могут конкурировать с существующими двигателями и практически не имеют перспектив широкого применения в качестве силовых агрегатов автомобилей.
Основными силовыми установками для автомобилей в настоящее время по-прежнему остаются поршневые двигатели как карбюраторные, так и дизели.
В последнее время появились двигатели, занимающие промежуточное положение между карбюраторными двигателями и дизелями – двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси (инжекторные). Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструктивных особенностей в той или иной степени сочетают в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.
В настоящее время двигателестроение развивается быстрыми темпами, но, к сожалению, осуществляется только модернизация двигателей. При этом основное внимание при разработке конструкций новых и перспективных двигателей уделяется повышению их удельных мощностных показателей, экономичности, надежности и долговечности.
Раздел I. Двигатель
Тема 1.1 Общие сведения
Двигатель - это агрегат, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу.
Двигатель, у которого механическая работа получается за счет тепловой энергии, называется тепловым двигателем.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловой двигатель, у которого рабочая смесь сгорает внутри цилиндра.
На отечественных автомобилях устанавливаются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива преобразуется в механическую работу, используемую для передвижения автомобиля. Расширяющиеся при сгорании рабочей смеси в цилиндрах двигателя газы воздействуют на поршни, поступательное движение которых преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала, которое в свою очередь передается при помощи агрегатов трансмиссии на ведущие колеса автомобиля, приводя его в движение.
Требования, предъявляемые к двигателям
· Низкий уровень шума;
· Соответствие требованиям международных норм по токсичности отработавших газов;
· Высокая экономичность;
· Компактность;
· Простота и безопасность обслуживания;
· Высокие мощностные показатели.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
ДВС могут быть классифицированы по следующим признакам:
По типу схемы и конструкции рабочих органов – поршневые и роторные;
По применяемому топливу – двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензиновые); работающие на тяжелом жидком топливе (дизельные); работающие на газе (газовые);
По способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные), с внутренним смесеобразованием (дизельные);
По способу воспламенения горючей смеси – с самовоспламенением от сжатия (дизельные) и с принудительным воспламенением от электрической свечи (карбюраторные, инжекторные)
По способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные и двухтактные;
По способу подачи топлива – с карбюрацией (карбюраторные), под давлением впрыска (дизельные, инжекторные).
Основные механизмы и системы двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем:
· кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
· газораспределительный механизм (ГРМ);
· система охлаждения;
· система питания;
· система зажигания (в бензиновых и газовых двигателях);
· система электрического пуска двигателя.
Основные определения и параметры двигателей
Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения (см. рис.1).
Мертвыми точками называются крайние положения поршня, где он меняет направление движения и его скорость равна нулю. При нахождении в верхней мертвой точке (ВМТ) поршень наиболее удален от оси коленчатого вала, а в нижней мертвой точке (НМТ) – наиболее приближен к ней.
Рис.1 Схема кривошипно-шатунного механизма
а – продольный разрез; б – поперечный разрез
Ход поршня S – расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180 0 (пол-оборота).
Ход поршня S и диаметр цилиндра D обычно определяют размеры двигателя.
Даже при равномерном вращении коленчатого вала поршень в цилиндре движется неравномерно: приближаясь к мертвой точке, он уменьшает свою скорость, а, удаляясь от нее – увеличивает. В результате неравномерного движения поршня возникают неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся поршня и связанных с ним деталей, что вызывает вибрацию двигателя и всего автомобиля, снижает надежность и долговечность его работы.
Уменьшение неравномерности движения поршня и величины сил инерции достигается различными мерами, в том числе выбором оптимального отношения радиуса кривошипа r к длине шатуна
Первый по настоящему работоспособный Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС) появился в Германии в 1878 году. Но история создания ДВС уходит своими корнями во Францию. В 1860 году французский изобретатель Этвен Ленуар изобрёл первый двигатель внутреннего сгорания . Но этот агрегат был несовершенен, с низким КПД и не мог быть применён на практике. На помощь пришёл другой французкий изобретатель Бо де Роша , который в 1862 году предложил использовать в этом двигателе четырехтактный цикл:1. всасывание
2. сжатие
3. горение и расширение
4. выхлоп
Именно эта схема и была использована немецким изобретателем Николаусом Отто , построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, КПД которого достигал 22%, что существенно превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Первым автомобилем с четырёхтактным ДВС был трёхколёсный экипаж Карла Бенца , построенный в 1885 году. Годом позже (1886 г) появился вариант
Как ни пытались инженеры XVIII- XIX вв. повысить КПД парового двигателя , он все равно оставался слишком низким. Двигатель , выпускающий пар в окружающую среду, в принципе не мог иметь КПД больше 8-10 % (например, у паровой машины Уатта он составлял всего 3-4 %). И хотя впоследствии были созданы более мощные паровые установки, с успехом применяемые в промышленности, на железнодорожном и водном транспорте, их невозможно было использовать для автомобилей .
Рекордсмены наших дней
Самым мощным современным двигателем внутреннего сгорания считается Wartsila-Sulzer RTA96-C. Он имеет размеры 27 на 17 м и развивает мощность около 109 тыс. л. с. Работает этот агрегат на мазуте и используется в судостроении. На звание самого мощного автомобильного мотора претендует двигатель, установленный на американском суперкаре Vector WX-8. Его мощность 1200 л. с. (хотя в печати встречается цифра 1850 л. с).
Низкий выход мощности паровых двигателей объясняется ступенчатостью процесса: нагретая при сгорании топлива вода превращается в пар, энергия которого преобразуется в механическую работу. Поэтому паровые машины относят к двигателям внешнего сгорания. А что произойдет, если использовать непосредственно внутреннюю энергию топлива?
Первым, кто начал опыты с двигателем внутреннего сгорания, был голландский физик XVII в. Христиан Гюйгенс . Среди его многочисленных открытий и изобретений так и не осуществленный проект двигателя, работающего на дымном порохе, совершенно затерялся. В 1688 г. француз Дени Папен использовал идеи Гюйгенса и сконструировал устройство в виде цилиндра, в котором свободно перемещался поршень. Поршень был связан перекинутым через блок тросом с грузом, который также поднимался и опускался вслед за поршнем. В нижнюю часть цилиндра насыпали порох и затем поджигали. Образовавшиеся газы, расширяясь, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали водой, газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался, поднимая при этом груз. К сожалению, для практических целей подобный двигатель не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы, да и в использовании он был довольно опасен.
В результате Папен отказался от своей затеи и занялся паровыми машинами, а следующую более или менее успешную попытку сконструировать двигатель внутреннего сгорания предпринял спустя 18 лет француз Жозе Нисефор Ньепс, прославившийся как изобретатель фотографии. Вместе с братом Клодом Ньепс изобрел лодочный двигатель, использующий в качестве горючего угольную пыль. Названный изобретателями «пирэолофор» (в переводе с греческого «несомый огненным ветром»), двигатель был запатентован, однако внедрить его в производство не удалось.
Спустя год швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил во Франции патент на экипаж, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Двигатель представлял собой цилиндр, в котором поджигался водород, получаемый при помощи электролиза. При взрыве и расширении газа поршень перемещался вверх, а при движении вниз приводил в действие ременной шкив. Война де Риваз был офицером наполеоновской армии помешала закончить работу над изобретением, которое в дальнейшем дало жизнь целому семейству водородных двигателей.
Несколькими годами раньше французский инженер Филипп Лебон подошел очень близко к созданию довольно эффективного двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе смеси горючих газов, главным образом метана и водорода, получаемой при термической переработке угля.
Неизвестный художник. Портрет Дени Папена. 1689 г.
Американские автомобили 1930-х гг.
Еще в 1799 г. Лебон получил патент на способ получения светильного газа посредством сухой перегонки древесины, а через несколько лет разработал проект двигателя, в котором были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, другой сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В 1804 г. изобретатель погиб, так и не успев воплотить свою идею в жизнь.
В последующие годы от мысли Лебона отталкивались многие изобретатели, некоторые даже получили на свои двигатели патенты например, англичане Браун и Райт, использовавшие в качестве топлива смесь воздуха со светильным газом. Двигатели эти были довольно громоздкими и опасными в эксплуатации. Фундамент для создания легкого и компактного двигателя был заложен лишь в 1841 г. итальянцем Луиджи Кристо-форисом, который построил двигатель, работающий на принципе «сжатие-воспламенение». Такой двигатель имел насос, подававший в качестве топлива воспламеняемую жидкость керосин. Его соотечественники Барзанти и Матточчи развили эту идею и в 1854 г. представили первый настоящий двигатель внутреннего сгорания. Он работал на смеси воздуха со светильным газом и имел водяное охлаждение. С 1858 г. его начала выпускать малыми партиями швейцарская компания «Эшер-Висс».
Одновременно бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар, отталкиваясь от разработок Лебона, после нескольких неудачных попыток создал свою модель двигателя. Очень важным новшеством стала идея воспламенения топливовоздушной смеси с помощью электрической искры. Ленуар также предложил систему водяного охлаждения и систему смазки для лучшего хода поршня. КПД этого двигателя не превышал 5 %, он неэффективно расходовал топливо и слишком сильно нагревался, но это был первый коммерчески успешный проект двигателя внутреннего сгорания для нужд промышленности. В 1863 г. его пытались установить на автомобиль, но мощности 1,5 л. с. было недостаточно для передвижения. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ле-нуар перестал работать над его усовершенствованием, и скоро он был вытеснен с рынка более удачными моделями.
Двигатель внутреннего сгорания Ж. Э. Ленуара.
В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т. е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело так и не дошло. На Парижской всемирной выставке 1867 г. представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лан-геном, продемонстрировали двигатель, сконструированный с использованием принципа Барзанти Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил двигатель Ленуара.
Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой, КПД этого двигателя достигал 15 %, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
А. Впуск рабочей смеси. Поршень (4) перемещается вниз; через впускной клапан (1) в цилиндр поступает горючая смесь. Б. Сжатие. Поршень (4) перемещается вверх; впускной (1) и выпускной (3) клапаны закрыты; давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. 6. Рабочий ход (горение и расширение). В результате искрового разряда свечи зажигания (2) происходит быстрое сгорание смеси в цилиндре; давление газов при сгорании воздействует на поршень (4); движение поршня передается через поршневой палец (5) и шатун (6) на коленчатый вал (7), заставляя вал вращаться. Г. Выпуск газов. Поршень (4) движется вверх; выпускной клапан (3) открыт; отработавшие газы из цилиндра поступают в выпускной трубопровод и дальше в атмосферу.
Отто в отличие от Ленуара на достигнутом не остановился и упорно развивал успех, продолжая работать над своим изобретением. В 1877 г. ему был выдан патент на четырехтактный двигатель с искровым воспламенением. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей. Уже через год новинка была запущена в производство, однако при этом разразился скандал. Обнаружилось, что Отто нарушил авторские права Бо де Роша, и после судебного разбирательства монопольное право Отто на четырехтактный двигатель было аннулировано.
Использование в качестве топлива светильного газа сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два в Москве и Петербурге. Еще в 1872 г. американец Брайтон, как ранее Кристофорис, пытался использовать в качестве топлива керосин, но затем перешел к более легкому нефтепродукту бензину.
В 1883 г. появился бензиновый двигатель с зажиганием от открытой в цилиндр раскаленной полой трубки, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Однако двигатель на жидком топливе не мог конкурировать с газовым, пока не было создано устройство для испарения бензина и получения горючей смеси с воздухом. Карбюратор с жиклером, прообраз всех современных карбюраторов, был изобретен венгерским инженером Донатом Банки, который в 1893 г. получил на свое устройство патент. Банки предложил, вместо того чтобы испарять бензин, мелко распылять его в воздухе. Этим обеспечивалось равномерное распределение бензина по цилиндру, а испарение происходило под действием тепла сжатия уже в цилиндре.
Изначально двигатели внутреннего сгорания имели только один цилиндр, и для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать его объем. Однако это не могло продолжаться бесконечно, и в результате пришлось прибегнуть к увеличению числа цилиндров. В конце XIX в. появились первые двухцилиндровые двигатели, с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые, а сейчас никого не удивишь и двенадцатицилиндровым. Усовершенствование двигателей идет в основном в сторону усиления мощности, однако принципиальная схема остается прежней.
Двухцилиндровый двигатель Г. Даймлера, вид в двух проекциях.
Когда Рудольф Дизель больше века назад разрабатывал двигатель собственной конструкции, он и представить не мог, что дизельные двигатели могут быть столь чувствительны к качеству топлива. Ведь преимущество своего мотора Дизель видел именно в том, что он может работать на чем угодно, от угольной пыли до переработанного кукурузного жмыха. Современные турбодизели со впрыском топлива требуют только хорошо очищенного дизельного топлива с низким содержанием серы. Именно поэтому многие зарубежные автопроизводители не решались до недавнего момента продавать свои дизельные модели в России.
Р. Дизель.
Двигатель Р. Дизеля.
Был специфически транспортным. Он питался смесью жидкого топлива с воздухом, притом экономно. Частота вращения вала была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, а литровая мощность (л. с/л) - вдвое. На единицу мощности приходилась меньшая масса.
Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин; и эту тихоходность Бенц оправдывал долговечностью и бесшумностью двигателя. Кривошипный механизм оставался открытым, как у стационарных двигателей. Наиболее интересно в двигателе Бенца электрическое зажигание смеси, в принципе такое же, как у теперешних двигателей. Увы, оно работало очень неустойчиво.
Увеличение мощности двигателя
Увеличить мощность двигателя и тем самым скорость автомобиля было не так-то легко. Если увеличивать диаметр цилиндра, то возрастают силы, действующие на его стенки, на детали кривошипного механизма. Если же увеличивать длину хода поршня, то цилиндр трудно разместить на автомобиле, растут размеры частей кривошипа. В обоих случаях двигатель становится тяжелее. Эти обстоятельства привели конструкторов к мысли - умножить число цилиндров. Даймлер выполнял двухцилиндровыми (У-образными) уже свои самые ранние двигатели, а в 1891 году построил первый четырехцилиндровый.
Увеличение числа цилиндров давало не только компактность двигателя при росте его мощности, но и плавность хода. В четырехцилиндровом двигателе каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового двигателя - на два оборота. Вместе с тем конструкция и сборка двигателя при нескольких цилиндрах более сложные, возникают перекосы и прогиб вала. Пришлось ввести на нем противовесы, увеличивать число его опор, установить рядом вспомогательный уравновешивающий вал.
К концу века многие фирмы выпускали одновременно двигатели одно-, двух- и четырехцилиндровые. Старались применить на всех двигателях фирмы одинаковые цилиндры, чтобы наладить массовое производство и упростить их замену в случае повреждения. Пытались выполнять и головку цилиндра съемной (как это делается теперь), чтобы облегчить сборку двигателя и обслуживание клапанов, но не смогли добиться плотности зазора между головкой и цилиндром; нагрев вызывал деформацию головки, герметичность нарушалась. Тогда стали отливать цилиндр заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали люки с нарезными пробками. Отливка получалась замысловатой. Поэтому рубашка водяного охлаждения была съемной (отсюда и ее название), выполненной из латуни или меди. Крепили ее на винтах.
Важное место занимала система распределения, т. е. наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от газов. У всех ранних двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим тарельчатым клапаном - «тарелочкой» на стержне вроде опрокинутого гриба. По форме клапан похож на нынешний, открывался благодаря разрежению в цилиндре при такте впуска, а в остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Несмотря на частые заедания, простота конструкции такого клапана привлекала специалистов до первых годов XX века. А затем с увеличением частоты вращения вала перешли на управляемый клапан.
Выпускным же клапаном с самого начала управляли, как золотником у паровой машины, при помощи эксцентрика и тяги. С отказом от автоматического клапана и увеличением числа цилиндров множилось и число эксцентриков. Это натолкнуло конструкторов на мысль о едином вале с кулачками вместо эксцентриков, с приводом его от коленчатого вала. Кулачки установили так, что их выступы в нужный момент приподнимали стержни клапанов. При дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым. Устройство распределительного механизма приобрело схему, сохранившуюся до наших дней. Чтобы возместить несовершенство тогдашних карбюраторов, этому механизму придавали еще одну функцию: водитель мог особым (еще одним!) рычагом – отключателем сместить распределительный вал и вывести кулачки из-под клапанов, временно прекратить их действие.
Хотя, казалось бы, автомобильный двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы очень скоро пришли к выводу о большей эффективности водяного охлаждения. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, иногда опоясывавшие весь капот двигателя. Змеевики, несмотря на их громоздкость, большую массу и возможные отказы, просуществовали около 15 лет. На модели «Мерседес» (1901) впервые применен знакомый ныне трубчатый или сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения, изменивший облик автомобиля. В конце XIX века появились водяные насосы, вращаемые коленчатым валом. Для продувки воздуха через радиатор, особенно при медленной езде, применили вентилятор, расположенный позади радиатора или объединенный с маховиком двигателя (в этом случае ставили под двигателем кожух для герметизации подкапотного пространства).
К началу XX века утвердилась система смазки двигателя разбрызгиванием. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали заполнявшее картер масло, его капли смазывали цилиндры и подшипники. Для смазки прочих механизмов автомобиля предназначалась целая батарея «капельниц», красовавшаяся на переднем щитке или сбоку кузова. Время от времени водитель или его помощник нажимали кнопки капельниц.
В разработке приборов, предназначенных для подачи смеси в цилиндры и ее воспламенения, пришлось соприкоснуться со сравнительно новыми научными дисциплинами: электротехникой, газо- и гидродинамикой.
Задолго до появления автомобилей был известен пульверизатор. Стоило поставить его на пути бензина из бака к двигателю, и разрежение в цилиндрах при такте впуска создавало бы тягу воздуха и распыляло бензин. Смешиваясь с воздухом, он образовывал горючую смесь. Однако конструкторы считали, что такая «парикмахерская» схема слишком деликатна для грубых двигателей того времени.
Появление карбюраторов
Изобретали различные замысловатые карбюраторы. Работа карбюратора Маркуса напоминает процесс разбрызгивания краски со щетки (отсюда название - щеточный карбюратор). В «барботажном» (взбалтывающем) карбюраторе Бенца воздух проходил через толщу бензина в баке. Слой бензина по мере его расхода становился тоньше, а смесь - менее насыщенной; прибор работал нормально лишь в начале поездки. От фитильного карбюратора отказались, так как из-за разрежения в цилиндре порой засасывало… сами фитили и двигатель останавливался. При использовании поверхностного карбюратора водителю приходилось постоянно наблюдать за уровнем бензина.
Не добившись желаемого результата, конструкторы обратились к отвергнутому пульверизатору. Пульверизационный карбюратор Даймлера и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры, как из пульверизатора, распыленной струей. Эта схема в принципе сохранилась до наших дней.
Системы зажигания
Разнообразие конструктивных решений характерно и для ранних систем зажигания. Об их «эффективности» свидетельствуют слова «Доброго зажигания!», которыми когда-то приветствовали друг друга автомобилисты. И ныне среди водителей сохранился термин «на длинном зажигании» (буксировка отказавшего автомобиля).
Ленуаровские электрические приборы были настолько не-совершенны, что снабженный ими первый автомобиль Бенца мог работать только на очень ровной дороге, в сухую погоду и вблизи от зарядной станции или имея «на борту» запас сухих бунзеновских элементов. Попробовали заменить их динамо-машиной, но она не работала при малых оборотах; для пуска двигателя нужно было вручную очень энергично раскрутить его вал или каким-либо способом разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был еще очень тяжел, энергетически слаб, портился от тряски.
Многих автостроителей привлекало изобретенное в 1895 году немецким инженером-электриком Робертом Бошем (1861 -1942) «Магнитное зажигание на отрыв». Эта система вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, приводившаяся от якоря. Разрыв происходил в камере сгорания. Возникала искра, воспламенявшая смесь. Система работала надежно, если частота вращения двигателя не превышала 300 об/мин.
Г. Даймлера и В. Майбаха, добивавшихся больших оборотов двигателя, ни одна из тогдашних электрических систем зажигания не удовлетворяла. Поэтому до самого конца XIX века на автомобилях «Даймлер» применялась платиновая калильная трубка, несмотря на ее дороговизну, пожарную опасность и на то, что она нередко вызывала преждевременное воспламенение смеси. В Германии был даже подготовлен законопроект о запрете калильного зажигания. Даймлер первым применил на серийном автомобиле предложенную Р. Бошем магнитоэлектрическую машину с двумя обмотками якоря. Ее назвали «магнето высокого напряжения». Она позволила достичь надежного зажигания и не зависела от числа оборотов двигателя. Автомобили с магнето просуществовали до 1930-х годов.
Так шаг за шагом создавался автомобильный двигатель. Его мощность возросла к началу XX века в десятки раз, а удельная мощность - в 7 раз, расход топлива на 1 л. с. сократился вдвое. Черты сходства со стационарными двигателями почти утратили, кроме самых общих.
с одержание
Введение…………………………………………………………………….2
1. История создания……………………………………………….…..3
2. История автомобилестроения в России…………………………7
3. Поршневые двигатели внутреннего сгорания……………………8
3.1 Классификация ДВС ………………………………………….8
3.2 Основы устройства поршневых ДВС ………………………9
3.3 Принцип работы……………………………………………..10
3.4 Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя………………………………………………………………10
3.5 Принцип действия четырехтактного дизеля……………11
3.6 Принцип действия двухтактного двигателя…………….12
3.7 Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей………………………………………….…………….13
3.8 Рабочий цикл четырехтактного двигателя………...……14
3.9 Рабочие циклы двухтактных двигателей………………...15
Заключение………………………………………………………………..16
Введение.
XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные Спутники Земли. Все это действует не без помощи электричества.
Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы. Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.
С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины, как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде. Затем они стали постепенно заменять его.
В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось малоэффективным.
Стали искать другой источник энергии. Долго трудились изобретатели, много машин испытали - и вот, наконец, новый двигатель был построен. Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах.В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства -паровозы.
Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый. В 1860 г. француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.
1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Использовать внутреннюю энергию – это значит совершить за счет нее полезную работу, то есть превращать внутреннюю энергию в механическую. В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает.
Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.
Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель.
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.
Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.
В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар - это прообраз современных реактивных двигателей.
В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.
Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век ршсе великого Леонардо. Это было колесо с
лопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машитрудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и Дрогие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, Например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После отого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опусускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он негодился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, И это на протяжении всей работы двигателя!). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным.
Однако нельзя не усмотреть в первой машине Палена черты современного двигателя внутреннего сгорания.
В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался – снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.
Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Об этом догадался современник Дени Палена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра - в котле.
Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно <прожорлива>: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в <ненасытную пасть> топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.
Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.
Ползунов построил свою <огнедействующую машину> на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни, В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного Цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.
Весной 1766-года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стеннкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.
Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во
вращательное движение колеса.
Уже потом было придумано <двойное действие> машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван <золотником>.
Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.
Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.
Для оценки теплового двигателя важно знать, какую часть энергии, выделяемую топливом, он превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД).
КПД теплового двигателя - это отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива.
Первый дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, современный стационарный дизель имеет КПД 34-44%.
2. ИСТОРИЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ В РОСИИ
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.
Как было выше сказано, тепловое расширение применяется в ДВС. Но каким образом оно применяется и какую функцию выполняет мы рассмотрим на примере работы поршневого ДВС. 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. (Советский энциклопедический словарь)
Как было выше сказано, в качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение поучили ДВС, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. Но в большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания, которые классифицируются по различным признакам: По способу смесеобразования - двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) -дизели; По способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные; По числу цилиндров - одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; По расположению цилиндров - двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд, V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным); По способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением; По виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные;По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают
двигатели высокого (E=12...18) и низкого (E=4...9) сжатия; По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня;) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя; По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;По назначению различают двигатели стационарные, авто тракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.
Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.
Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.
Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.
Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.
Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр,поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.
Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ) .
Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.
Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к.давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом:
1. Такт впуска По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ.В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С. 4. Такт выпуска. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:
1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
3. Такт расширения, или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное
давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ -происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Для обобщения на показаны схемы рабочего цикла карбюраторных двигателей и дизелей.
Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных
двигателей - продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное 6 и продувочное, которое сообщается клапаном скривошипной камерой двигателя.
Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта:
1. Такт сжатия. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное 6 окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.
2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.
Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу,давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.
Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из пяти процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.
Графическое представление о давлении газов при изменении объема в цилиндре двигателя в процессе осуществления каждого из четырех циклов дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным теплового расчета или снята при работе двигателя с помощью специального прибора - индикатора.
Процесс впуска. Впуск горючей смеси осуществляется после выпуска из цилиндров отработавших газов от предыдущего цикла. Впускной клапан открывается с некоторым опережением до ВМТ, чтобы получить к моменту прихода поршня к ВМТ большее проходное сечение у клапана. Впуск горючей смеси осуществляется за два периода. В первый период смесь поступает при перемещении поршня от ВМТ к НМТ вследствие разряжения, создающегося в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течение некоторого времени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений, и скоростного напора смеси. Впуск горючей смеси заканчивается закрытием впускного клапана.Горючая смесь, поступившая в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла и образует горючую смесь. Давление смеси в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура смеси в конце процесса впуска повышается до 340 - 350 К вследствие соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя и смешивания с
остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.
Процесс сжатия. Сжатие рабочей смеси, находящейся в цилиндре двигателя, происходит при закрытых клапанах и перемещении поршня. Процесс сжатия протекает при наличии теплообмена между рабочей смесью и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале сжатия температура рабочей смеси ниже температуры стенок, поэтому теплота передается смеси от стенок. По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом процесс сжатия осуществляется по политропе, средний показатель которой n=1.33...1.38. Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси. Давление рабочей смеси в цилиндре в конце сжатия 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.
Процесс сгорания. Сгорание рабочей смеси начинается раньше прихода поршня к ВМТ, т.е. когда сжатая смесь воспламеняется от электрической искры. После воспламенения фронт пламени горящей свечи от свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40 - 50 м/с. Несмотря на такую высокую скорость сгорания, смесь успевает сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на 30 - 35 .При сгорании рабочей смеси выделяется большое количество теплоты на участке, соответствующим 10 - 15 до ВМТ и 15 - 20 после НМТ, вследствие чего давление и температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают. В конце сгорания давление газов достигает 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.
Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре двигателя, происходит после окончания процесса сгорания при перемещении поршня к НМТ. Газы, расширяясь, совершают полезную работу. Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают теплоту. Газы в течение всего процесса теплового расширения отдают теплоту стенкам. Температура газов в процессе расширения уменьшается, следовательно, изменяется перепад температуры между газами и стенками. Процесс теплового расширения, заканчивающийся в момент открытия выпускного клапана,. Процесс теплового расширения происходит по политре, средний показатель которой n2=1.23...1.31. Давление газов в цилиндре в конце расширения 0.35 -0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.
Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за два периода. В первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня до НМТ за счет того, что давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного. В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня от НМТ до закрытие выпускного клапана за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент закрытия выпускного клапана, т. е. через 10 – 20 после прихода поршня в ВМТ. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К.
Рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя способом образования и воспламенения рабочей смеси.
Процесс впуска. Впуск воздуха начинается при открытом впускном
клапане и заканчивается в момент закрытия его. Процесс впуска воздуха происходит также, как и впуск горючей смеси в карбюраторном двигателе.. Давление воздуха в цилиндре в течении процесса впуска составляет 80 - 95 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура воздуха в конце процесса выпуска повышается до 320 - 350 К за счет соприкосновения его с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами.
Процесс сжатия. Сжатие воздуха, находящегося в цилиндре, начинается после закрытия впускного клапана и заканчивается в момент впрыска топлива в камеру сгорания Давление воздуха в цилиндре в конце сжатия 3.5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.
Процесс сгорания. Сгорание топлива начинается с момента начала подачи топлива в цилиндр, т.е. за 15 - 30 до прихода поршня в ВМТ. В этот момент температура сжатого воздуха на 150 - 200 С выше температуры самовоспламенения. топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр, воспламеняется не мгновенно, а с задержкой в течение некоторого времени (0.001 - 0.003 с), называемого периодом задержки воспламенения. В этот период топливо прогревается, перемешивается с воздухом и испаряется, т.е. образуется рабочая смесь. Подготовленное топливо воспламеняется и сгорает. В конце сгорания давление газов достигает 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.
Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. В начале расширения происходит догорание топлива. Процесс теплового расширения протекает аналогично процессу теплового расширения газов в карбюраторном двигателе.. Давление газов в цилиндре к конце расширения 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 К.
Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. Процесс выпуска отработавших газов происходит также, как и процесс выпуска газов в карбюраторном двигателе. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 700 - 900 К.
Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два такта, или за один оборот коленчатого вала. Рассмотрим рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой,
Процесс сжатия горючей смеси, находящейся в цилиндре, начинается с момента закрытия поршнем окон цилиндра при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия протекает также, как и в четырехтактном карбюраторном двигателе,
Процесс сгорания происходит аналогично процессу сгорания в четырехтактном карбюраторном двигателе.
Процесс теплового расширения газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент открытия выпускных окон. Процесс теплового расширения происходит аналогично процессу расширения газов в четырехтактном карбюраторном двигателе.Процесс выпуска отработавших газов начинается при открытии выпускных окон, т.е. за 60 65 до прихода поршня в НМТ, изаканчивается через 60 - 65 после прохода поршнем НМТ, на диаграмме изображается линией 462. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается, а за 50 - 55 до прихода поршня в НМТ открываются продувочные окна и горючая смесь, ранее поступившая в кривошипную камеру и сжатая опускающимся поршнем, начинает поступать в цилиндр. Период, в течение которого
происходит одновременно два процесса - впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов,- называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними. При дальнейшем перемещении к ВМТ поршень перекрывает сначала продувочные окна, прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем выпускные и начинается в цилиндре процесс сжатия.
Итак, мы видим, что двигатели внутреннего сгорания - очень сложный механизм. И Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы - вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС - это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.
И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо они вывели человечество на новый уровень развития, а, пройдя его, человечество поднялось еще выше.
