Размещено на http://www.allbest.ru/

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Рис.1.Схема работы четырехтактного двигателя, цикл Отто.

1. Впуск, 2. Сжатие, 3. Рабочий цикл (ход), 4. Выпуск/

Несмотря на то, что ДВС являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.

Устройство и принцип действия ДВС Основными типами ДВС являются: поршневые двигатели - камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

По типу используемого топлива делятся на: бензиновые - смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи; дизельные -специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере; газовый двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях: смеси сжиженных газов - хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испаренная в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. сжатые природные газы - хранятся в баллоне под давлением 150-200 ат. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие - отсутствие испарителя; генераторный газ - газ, полученный превращением твердого топлива в газообразное. В качестве твердого топлива используются: уголь, торф, древесина.

Газодизельные - основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневые - за счет вращения в камере сгорания многогранного ротора динамически формируются объёмы, в которых происходит обычный цикл ДВС.

Газотурбинные двигатели - энергия расширяющихся продуктов горения передаётся на лопатки газовой турбины.

Рис.2. Роторно-поршневой двигатель.

Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартер. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Также ДВС нужны топливная система для подачи топливной смеси и выхлопная система отвода газов). Идеальные циклы ДВС, термические КПД циклов. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы: а) с подводом теплоты при постоянном объеме (карбюраторные ДВС); б) с подводом теплоты при постоянном давлении (компрессорные дизели); в) со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме (бескомпрессорные дизели). Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безрамерные величины: степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия)

? = ?1 / ? 2, (1)

? степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

? = Р3 / Р2, (2)

? степень предварительного расширения или степень изобарного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты) Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя.

Диаграмма двигателя представлена на рис.3

а-1 (1-й такт) - в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс);

1-2 (2-ой такт) - адиабатное сжатие (повышается температура);

2-3 - сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q1);

4 (й такт) - адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа);

Рис.3. Диаграмма ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме.

4-1 - открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр, давление в цилиндре падает (отводится тепло q2).

1-а (4-ый такт) - выталкивание оставшихся в цилиндре газов.

Затем процесс повторяется. В цикл 1-2-4-1 процессы всасывания и выпуска не входят.

Описанный круговой процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).

Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные обратимые циклы. Диаграмма идеального кругового процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рис.4. Из этой диаграммы выводится формула для термического к.п.д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, которая имеет следующий вид:

?t = li/ q1 = (q1 - q2)/ q1 = 1 - 1/ ? ???, (4)

где: ? - степень сжатия (основной показатель работы двигателя, чем выше ?, тем выше экономичность ДВС); ? - показатель адиабаты. ? = ?1 / ?2; ? = 1,4 для идеального газа

?

Рис.4. Идеальный цикл карбюратоного ДВС.

2). Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме (бескомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рис.5.

1-2 - чистый воздух с температурой Т1 сжимается до температуры Т2, которая больше температуры воспламенения воздуха. В этот момент в цилиндр через форсунки под давлением впрыскивается топливо.

2-3 - горючая смесь самовоспламеняется и к рабочему телу подводится тепло q1*, давление повышается до Р3.

Рис.5. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты

4 - поршень перемешается обратно, поступление и сгорание топлива продолжается при постоянном давлении и подводится тепло q1**.

4-5 - поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение);

5-1 - процесс отвода теплоты q2 при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы). Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

?t = 1 - (?·?? - 1) / ? ?-1·[(? - 1) + ?·?·(? - 1)] (5)

Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении (компрессорный дизель) широкого применения не нашёл. Индикаторная диаграмма. Индикаторный и эффективный КПД ДВС. Индикаторная диаграмма- графическое изображение изменения давления газа или пара в цилиндре поршневой машины в зависимости от положения поршня. Индикаторная диаграмма вычерчивается обычно с помощью индикатора давления. Индикатор давления- прибор для измерения и регистрации изменений давления в устройствах пневмоавтоматики, цилиндрах поршневых машин и т. д. Индикатор давления обычно имеет воспринимающую часть (датчик), передающее и регистрирующее устройства. В пневматическом индикаторе давления давление на поршень или мембрану (воспринимающая часть) через шток передаётся на рычаг самописца, фиксирующего изменения положения поршня (мембраны), т. е. изменения давления. В электрическом индикаторе давления колебания давления преобразуются датчиком в электрические сигналы, которые регистрируются с помощью осциллографа, электрических измерительных приборов и др. По оси абсцисс откладывается объём, занимаемый газами в цилиндре, а по оси ординат - давление. Каждая точка на индикаторной диаграмме (рис 6) показывает давление в цилиндре двигателя при данном объёме, т. е. при данном положении поршня (точка r соответствует началу впуска; точка а - началу сжатия; точка с - концу сжатия; точка z - началу расширения; точка b - концу расширения.

Рис. 6. Индикаторная диаграмма ДВС

Индикаторная диаграмма даёт представление о значении работы, производимой двигателем внутреннего сгорания или насосом, и об их мощности. Рабочее тело совершает полезную работу только в течение рабочего хода. Поэтому для определения полезной работы необходимо из площади, ограниченной кривой расширения Zb, вычесть площадь, ограниченную кривой сжатия ac. Различают теоретическую и действительную индикаторную диаграмму Теоретическая строится по данным теплового расчёта и характеризует теоретический цикл; действительная индикаторная диаграмма снимается с работающей машины при помощи индикатора и характеризует действительный цикл.

Для удобства ведения расчётов и сопоставления между собой разных двигателей переменные по ходу поршня давления заменяются условным постоянным давлением, при котором за один ход поршня получается работа, равная работе газов за цикл с переменным давлением. Это постоянное давление называется средним индикаторным давлением и представляет собой работу газов, отнесённую к рабочему объёму поршневой машины.

Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл. Согласно определению, среднее индикаторное давление - отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра

Vц, т.е. Pi=Li/Vц. (6)

При наличии индикаторной диаграммы, снятой с двигателя (рис. 6), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании Vц, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу Li. Определив с помощью планиметра полезную площадь F индикаторной диаграммы (м2) и длину R индикаторной диаграммы (м), соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления Pi=F*m/R, где m - масштаб давления индикаторной диаграммы, Па/м. Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей 0.8 - 1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 - 1.1 МПа, у двухтактных дизелей 0.6 - 0.9 МПа. Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени. Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi ·Vц. Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра

Ni= (2/T) · Li ·n ·10-3 (кВт) = (2/T) ·Pi ·Vц ·n ·10-3 (кВт), (7)

где n частота вращения коленчатого вала, 1/с, T - тактность двигателя - число тактов за цикл (T=4 для четырехтактных двигателей и T=2 для двухтактных). Работа за цикл определяется в джоулях. Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров z :

Ni = (2/T) ·Pi ·Vц ·n ·z ·10-3 (кВт), (8)

Примечание: Если в расчётах работу определять в килоджоулях (кДж), то множитель 10-3 в формулах (7) и (8) надо опустить. Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы. Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь

Nм, т.е. Ne=Ni - Nм. (9)

Мощность механических потерь затрачивается на трение при приведении в действие кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, вентилятора, жидкостного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов и приборов. Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД ?м, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е.

?м = Ne/Ni= ( Ni-Nм) /Ni = 1- (Nм/Ni). (10)

Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9. Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность

Ne = ?м ·Ni. (11)

Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических потерь

Nм= (2/T)·Pм ·Vц·n·z·10-3, (12)

где Pm - среднее давление механических потерь, т.е. часть среднего индикаторного давления, которая расходуется на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов и приборов. Согласно экспериментальным данным для дизелей

Pм=1.13+0.1·Uсp; (13)

для карбюраторных двигателей Pм= 0.35+0.12· Uсp; где Uсp - средняя скорость поршня, м/с. Разность между средним индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pм называют средним эффективным давлением Pe, т.е. Pe=Pi-Pм. Эффективная мощность двигателя

Ne= (2/T)·Pe·Vц·n·z·10-3 (кВт), (14)

откуда среднее эффективное давление

Pe=103·Ne·T/(2?Vц·n·z). (15)

Среднее эффективное давление при нормальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателе 0.75 - 0.95 МПа, у четырехтактных дизелей 0.6 - 0.8 МПа, у двухтактных 0.5 - 0.75 МПа. Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты Qi, эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте Q (затраченной работе), т.е. ?i=Qi/Q. Теплота Qi (кВт) эквивалентна индикаторной работе за время ? = 1с (индикаторной мощности), Qi/? =Ni. Теплота Q (кВт), затраченная на работу двигателя в течение 1с (затраченная мощность) Q=В* (Qpн), где В - расход топлива, кг/с; Qpн - низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг. Подставляя значение Qi и Q в равенство (а), получим:

?i = Ni/В*(Qpн). (16)

Удельный индикаторный расход топлива [кг/кВт*ч] представляет собой отношение секундного расхода топлива В к индикаторной мощности Ni, т.е. bi=(B/Ni) *3600 [кг/(кВт*ч) ], или

bi=(B/Ni) *6*106, [г/(кВт*ч) ] (17).

У карбюраторных двигателей индикаторный КПД составляет 0,28-0,35, у дизельных 0,38-0,48, у газовых 0,28-0,33. Удельный индикаторный расход топлива равен: для карбюраторных двигателей 0,245-0,30 кг/кВт* ч, для дизеля 0,165-0,21 кг/кВт* ч. Экономичность работы двигателя в целом определяют эффективным КПД ?е и удельным эффективным расходом топлива be. Эффективный КПД оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь, как тепловых так и механических и представляет собой отношение теплоты Qe, эквивалентной полезной эффективной работе, ко всей затраченной теплоте B*Q, т.е.

?е=Qe/(B* (Qpн) =Ne/(B* (Qpн) (18).

Так как механический КПД равен отношению Ne / Ni, то, подставляя в уравнение, определяющее механический КПД, значения Ne и Ni из уравнений (16) и (18), получим ?м=Ne/Ni=?e /?i, откуда ?e=?i ?м, т.е. эффективный КПД двигателя равен произведению индикаторного КПД на механический. Удельный эффективный расход топлива [кг/(кВт*ч) ] представляет собой отношение секундного расхода топлива B к эффективной мощности Ne, т.е. be=(B/Ne) *3600, или

be=(B/Ne) *6*106 [г/(кВт*ч) ] (19).

Для поршневых карбюраторных двигателей эффективный КПД составляет 0,25-0,29, для быстроходных дизелей 0,30-0,40, для газовых двигателей 0,20,28. Значения удельного эффективного расхода топлива составляют: для карбюраторных двигателей (0,22-0,48) кг/кВт *ч., для дизелей ( 0,210-0,285) кг/кВт* ч. Тепловой баланс ДВС. Из анализа рабочего цикла двигателя следует, что только часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, используется на полезную работу, остальная же часть составляет тепловые потери. Распределение теплоты, полученной при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называют тепловым балансом, который обычно определяется экспериментальным путем. Уравнение теплового баланса имеет вид

Q=Qe+Qг+Qн.с+Qост, (20)

где Q - теплота топлива, введенная в двигатель, Qe теплота, превращенная в полезную работу; Qохл - теплота, потерянная охлаждающим агентом (водой или воздухом); Qг - теплота, потерянная с отработавшими газами; Qн.с. теплота, потерянная вследствие неполного сгорания топлива, Qост остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтенных потерь. Количество располагаемой (введенной) теплоты (кВт) Q=B*Qpн. Теплота (кВт), превращенная в полезную работу за ед.времени, Qe=Ne. Теплота (кВт), потерянная с охлаждающей водой, Qохл=Bв*Cв* (t2-t1), где Bв количество воды, проходящей через систему, кг/с; Cв - теплоемкость воды, кДж/(кг*0К) [Cв=4.19 кДж/(кг*0К) ]; t2 и t1 - температуры воды при входе в систему и при выходе из нее, 0С. Теплота (кВт), теряемая с отработавшими газами, Qг=B*(Vг*Cрг*tг-Vв*Cрв*tв), где B расход топлива, кг/с; Vг и Vв расходы газов и воздуха, м3/кг; Cрг и Cрв средние объемные теплоемкости газов и воздуха при постоянном давлении, кДж/(м3*К); tг и tв - температура отработавших газов и воздуха, в 0С. Теплота, теряемая вследствие неполноты сгорания топлива, определяется опытным путем. Остаточный член теплового баланса (кВт) Qост=Q-(Qe+Qохл+Qг+Qн.с). Тепловой баланс можно составить в процентах от всего количества введенной теплоты, тогда уравнение баланса примет вид 100%=qe+qохл+qг+qн.с+qост, где qе=(Qe/Q*100%); qохл=(Qохл/Q) *100%; qг=(Qг/Q) *100% и т.д. В табл. 1 приведены примерные значения отдельных составляющих теплового баланса автотракторных двигателей.

Табл.1.

Перспективы развития двигателестроения. Время, прошедшее со времени создания первого ДВС, безусловно, повлияло и на концепцию создания современного поршневого автомобильного двигателя. Девиз двигателя наших дней - больше мощность, меньше расход. Казалось бы, эти два понятия противостоят друг другу, но, оказывается, это не так. Для того чтобы понять, в каком направлении в дальнейшем будет развиваться двигателестроение, необходимо уяснить, какие препятствия стоят на пути. А препятствия следующие: механические потери, неполное использование энергии сгорания топлива, вопросы, связанные с экономичностью, высокая себестоимость современных двигателей и систем управления, увеличение массы мотора, улучшение характеристик двигателя.

Механические потери в современных двигателях можно снизить несколькими способами. Во-первых, значительно ужесточить допуски на изготовление деталей двигателей. Во-вторых, необходимо уменьшить инерционность кривошипно-шатунной системы, то есть необходимо максимальное облегчение поршней, шатунов, коленчатого и распределительного вала, а также маховика. Недаром в современных моторах используются поршни с короткой «юбкой», изготовленные на основе алюминиевых сплавов. Причем для их производства используются две технологии. По первой технологии изготавливаются поршни для невысоко форсированных двигателей - их производят различными методами литья. По второй технологии изготавливаются поршни для форсированных двигателей - методом объемной штамповки (или, проще говоря, ковкой). Распределительные валы изготавливаются пустотелыми по следующей технологии: на охлажденную в жидком азоте трубчатую заготовку вала насаживаются отдельно изготовленные кулачки. Маховик делают максимально легким, чтобы не утруждать двигатель вращением лишней массы, да и отклик на нажатие педали газа при этом сократится. В-третьих, необходимо упомянуть современные моторные масла с низкой вязкостью, которые тоже делают небольшой вклад в копилку увеличения КПД, так как снижаются потери на трение, как при перекачке по масляным каналам, так и внутри самого масла. В-четвертых, расширить применение различных антифрикционных покрытий, способных значительно уменьшить силу трения, а также использование деталей, изготовленных на основе соединений нитрида и карбида кремния, то есть керамики.

Экономичность современных двигателей. Здесь используются различные концепции минимизации расхода топлива, просто одни пытаются «выжать» все из бензиновых двигателей, вторые делают ставку на дизельные моторы, ну а третьи строят гибридные силовые установки. Кто окажется прав, увидим в ближайшем будущем. Но дело в том, что вне зависимости от того, кто какой концепции придерживается, все используют практически одинаковые технологические наработки. Сегодня, например, невозможно увидеть современный двигатель с двумя клапанами на цилиндр. «Почему?» - спросите вы. Да потому, что применение многоклапанного (от 3 до 5 клапанов на цилиндр) газораспределения позволяет снизить насосные потери и увеличить мощность и экономичность двигателя. Кстати говоря, стоит вспомнить наш автопром, а именно 4_цилиндровые 8_ и 16_клапанные двигатели АвтоВАЗа: при одинаковом объеме 1,5 литра один из них выдавал 78 л. с., а другой - 92. Кроме многоклапанного газораспределения применяются фазовращатели на газораспределительных валах, с помощью них осуществляется постоянная регулировка фаз впуска и выпуска. Особенно в этой области преуспели немецкие и японские инженеры. Например, система VANOS от BMW, которая впервые появилась на моторе серии М50 в 1992 году и позволяла регулировать фазы открытия и закрытия только впускных клапанов. Через некоторое время появилась система BI-VANOS, которая заведовала уже как впускными, так и выпускными клапанами. Работа этих систем сводится к следующему. На малых оборотах двигателя фазовращатели смещают момент открытия впускного клапана в более поздний период, что обеспечивает топливную экономичность и повышает крутящий момент. При средних оборотах двигателя клапаны открываются чуть раньше, это позволяет увеличить крутящий момент и значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. На высоких же оборотах двигателя впускные клапаны открываются с небольшим опозданием, благодаря чему значительно увеличивается мощность в зоне максимальных оборотов, так как в цилиндре создается большее разряжение, а значит, и воздуха в цилиндры попадает значительно больше. Интересно и то, что совсем недавно, впервые в мире, на автомобилях LEXUS появились фазовращатели с электроприводом, которые позволяют регулировать фазы газораспределения практически с нулевых оборотов двигателя, что в принципе невозможно для фазовращателей с гидроприводом. Необходимо отдельно упомянуть системы регулирования величины подъема клапанов (Honda i-VTEC, BMW Valvotronic, Porsche VarioCam Plus), благодаря которым значительно улучшаются как характеристики двигателя, так и топливная экономичность. Для примера рассмотрим знаменитую систему Valvetronic от компании BMW. Разрабатывая эту системы, инженеры решили кардинально отказаться от дроссельной заслонки, хотя в процессе доводки ее все-таки оставили, она стала служить для диагностики системы Valvetronic и находится постоянно в открытом положении.

двигатель внутренний сгорание топливо

Рис.7.

Стоит напомнить, что при управлении процессом подачи воздушной смеси с помощью дросселя возникают значительные аэродинамические сопротивления и завихрения, особенно при неполном открытии заслонки. Регулирование количества воздушной смеси в системе Valvetronic должно было происходить за счет изменения величины подъема клапанов, то есть сам клапан при этом выполнял функцию дроссельной заслонки. Для этого был разработан специальный механизм, позволявший регулировать подъем клапана в пределах от 0 до 10 мм. Идея системы состоит в следующем. Распредвал заведует открытием клапана не на прямую, а через специальный рычаг, который может менять свое положение в пространстве, тем самым изменяя величину перемещения коромысла, которое непосредственно воздействует на клапан. Регулировка рычага осуществляется с помощью червячной передачи и электромотора, а всем этим процессом заведует компьютер. Применение этой системы привело к тому, что на малых оборотах снизилось потребление топлива, а на больших возросла мощность, так как значительно увеличилась скорость заполнения цилиндров топливно-воздушной смесью. При этом значительно уменьшилось время отклика на педаль акселератора. Но у двигателей, оснащенных этой системой, появился небольшой недостаток - отсутствие разряжения во впускном коллекторе, которое необходимо для работы вакуумного усилителя тормозов. Проблема была решена следующим образом: немецкие инженеры взяли и поставили отдельный насос, который создавал необходимое разряжение.

Кроме таких высокотехнологичных мер, как электропривод помпы, отключаемый генератор, электроусилитель руля, применяемых для увеличения экономичности двигателей, используются также и другие, более радикальные способы. Например, отключение части цилиндров на холостом ходу или в режимах частичных нагрузок у многоцилиндровых двигателей. Причем до недавнего времени этими системами пользовались в основном американские конструкторы, взять хотя бы систему отключения цилиндров Displacement-on-Demand («рабочий объем по требованию») от компании General Motor. Замысел системы достаточно прост: по достижении двигателем рабочей температуры электроника начинает опрашивать различные датчики, и если она обнаруживает, что мотор работает в режиме частичной нагрузки, то прекращает подачу топлива в половину цилиндров, то есть в 4. Причем цилиндры отключаются по диагонали, чтобы в двигателе не возникли вибрации. Максимальный достигнутый эффект экономии топлива составил 25% от номинального, и это достаточно неплохой результат. Похожую систему представила и компания Honda, показав общественности новый 3,4_литровый 6_цилиндровый двигатель, в котором при спокойном перемещении в пространстве будут отключены 3 цилиндра.

Повысить экономичность и КПД двигателя можно также с помощью более совершенной системы зажигания. Достаточно вспомнить знаменитые моторы с системой Twin Spark от Alfa-Romeo, где использованы две свечи на цилиндр. Эта система, как, в принципе, и многое другое, перекочевала в автомобильное двигателестроение с авиационных двигателей еще в 20_е годы прошлого столетия. Вторая свеча зажигания позволила обеспечить более полное сгорание топлива, отчего увеличился КПД, да плюс ко всему прочему снизилось потребление топлива и увеличилась детонационная стойкость. Недаром в 12_цилиндровом турбированном двигателе от Mersedes, где вопрос детонации стоит наиболее остро, применена система зажигания с двумя свечами на цилиндр.

Невозможно не упомянуть о современных веяниях двигателестроения: непосредственном впрыске топлива в цилиндры. Идея подавать топливо непосредственно в цилиндры достаточно не нова, впервые ее воплотили в жизнь инженеры компании Robert Bosch еще в 30_х годах XX века при конструировании авиационных двигателей, причем управление системой было механическим. Долгое время система непосредственного впрыска топлива не находила должного применения, хотя периодически появлялись автомобили, оснащенные ею. Вспомнить хотя бы Mercedes-Benz 300SL 1954 года, ведь он был оснащен механическим впрыском от фирмы Bosch. Свое второе рождение система непосредственного впрыска пережила в начале 90_х годов прошлого века, когда стали появляться достаточно надежные и современные электронные системы управления.

Большой шаг в развитие и внедрение этих систем сделала компания Mitsubishi со своими двигателями GDI. Уникальность этого двигателя была в том, что он мог работать на сверхобедненной топливовоздушной смеси, в которой соотношение бензина к воздуху по массе достигало 40:1, это при том, что идеальное соотношение 14,7:1. То есть настолько обедненная смесь вообще не должна была гореть, но благодаря специальной форме поршня и узконаправленного факела распыла смесь с идеальным стехиометрическим составом попадала прямо на свечу зажигания, хотя по всему объему цилиндра была очень бедной. В данном двигателе было организовано три режима работы системы.

Рис.8.

Первый - впрыск топлива происходил на тактах впуска и сжатия, этот режим был необходим для увеличения крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Второй - впрыск в момент впуска, этот режим применялся для достижения двигателем максимальной мощности.

Третий режим - режим впрыска обедненной смеси на такте сжатия применялся для увеличения топливной экономичности на режимах малой нагрузки и холостого хода.

Отдельно стоит сказать о том, что впрыск бензина непосредственно в камеру сгорания позволяет повысить детонационную стойкость двигателя, так как при испарении бензин забирает часть тепла у нагретого в цилиндре воздуха. Этот фактор позволяет повысить степень сжатия и, соответственно, еще больше уменьшить расход топлива. При всех своих преимуществах, а именно увеличении мощности, топливной экономичности и уменьшении выбросов вредных веществ, двигатель получился достаточно дорогим, так как в нем применялись высокотехнологичные компоненты. Например, топливный насос высокого давления, развивавший 50 бар (в последних разработках давление достигает 200 бар), а педаль газа не имела прямой связи с дроссельной заслонкой. Была также применена оригинальная головка блока цилиндра, в которой впускные каналы сделаны прямыми по вертикали.

Сегодня специалисты в области двигателестроения заняты не только вопросами улучшения топливной экономичности и КПД поршневого двигателя, их особенно волнует вопрос резкого «утолщения» мотора, нашпигованного различными электронно-механическими системами. В эпоху карбюраторного двигателя было все намного проще, блок цилиндров изготавливался из достаточно тяжелого, но прочного специального серого чугуна. Кстати говоря, применение этого вида материала не случайно, ведь колебания, возникшие в сером чугуне, гасятся примерно в 10 раз быстрее, чем в стали. Головка отливалась из сплава на основе алюминия, и все было хорошо. Сейчас же борьба идет за каждый грамм лишнего веса. Вспомнить хотя бы биметаллический блок цилиндров литрового 6_цилиндрового двигателя от BMW. Внутренняя, более нагруженная часть блока цилиндров до рубашки охлаждения выполнена из алюминиевого сплава с большим содержанием кремния. А наружная часть, менее нагруженная, сделана из магниевого. Технология получения такого блока цилиндров очень сложна, а экономия массы составляет примерно 10 кг по сравнению с цельноалюминиевым блоком. Конечно, можно подумать, что это только маркетинговый шаг, направленный на повышение реноме марки, но это не совсем так. Потому что, если нам удастся «сбросить» с одной детали несколько миллиграммов или даже граммов, то в совокупности мы получим огромный выигрыш по массе. Надо сказать, что во время внедрения алюминия в двигателестроение инженеры столкнулись с проблемой малой износостойкости крылатого металла. Поэтому впоследствии были разработаны специальные покрытия, предохраняющие зеркало цилиндра от износа. Одним из таких покрытий был широко известный «Никасил» - соединение жаростойкого никеля с износостойким карбидом кремния, он пришел в массовое автомобилестроение из мира королевских гонок. Кроме снижения массы автомобильные компании пытаются снизить расходы, связанные с разработкой и производством двигателей. Поэтому сегодня достаточно часто можно наблюдать сотрудничество крупных автомобильных компаний при конструировании моторов.

То, что произойдет в мире двигателестроения в ближайшие 10 лет, предсказать достаточно сложно, но определить генеральные линии развития все-таки можно. Самое главное направление удара - это гибридизация, причем пока акцент, надо сказать, ставится на бензино-электрический тандем, хотя дизельно-электрическое сотрудничество более оправданно, особенно если главной целью является экономия топлива. «Игры» с водородом, скорее всего, прекратятся, так как выгода от автомобилей, оснащенных двигателями на сверхлегком топливе, достаточно туманна. Необходимо сначала получить водород, а из водорода уже с помощью дорогущих топливных элементов - электричество.

Скорее всего, достаточно скоро будет представлен двигатель, оснащенный гидравлическим или электромагнитным приводом клапанов. Это новшество позволит отказаться сразу от двух систем: регулировки фаз газораспределения и величины подъема клапанов. Да и КПД от этого нововведения тоже подрастет, так как не нужно будет приводить во вращательное движение массивные элементы системы газораспределения. Хотелось бы наконец увидеть и серийный двигатель, оснащенный системой регулировки степени сжатия, теоретически он должен стать очень экономичным.

Дальнейшее развитие получат и маленькие моторчики, оснащенные турбонаддувом, так как соотношение лошадиных сил и крутящего момента к единице массы у них достаточно велико. К выхлопной трубе, кстати говоря, может переехать и генератор, так как энергия выхлопных газов имеет большую величину, а практически не используется. Говоря о двигателях, не стоит забывать дизельные моторы, они, скорее всего, и получат численное превосходство в будущем, потому что уже сегодня в Европе продается больше дизельных автомобилей, чем бензиновых.

Несколько слов о дизельных двигателях

Цены на топливо растут (и на бензин, и на дизельное), а “альтернативные силовые установки” еще не успели в достаточной мере себя зарекомендовать (да и в превосходстве их пока “не обвинить”). В связи с выше описанной ситуацией, в очередной раз разгораются дискуссии о плюсах и минусах дизельных технологий - как реальной альтернативе бензиновым. Рассмотрим существующие аргументы в пользу современного дизеля и насколько они убедительны.

Дизельные двигатели (как это было - так и осталось) потребляют топлива меньше бензиновых.

И даже несмотря на то, что современные технологии (прямой бензиновый впрыск, концепция минимизации) делают бензиновые двигатели все более совершенными и экономичными - дизельные двигатели тоже “не стоят на месте” и, по-прежнему, сохраняют разрыв в плане расхода топлива. Современные дизельные агрегаты расходуют топлива примерно на 30% меньше, чем бензиновые моторы с прямым впрыском того же поколения.

Дизельный автомобиль компакт-класса предыдущего поколения потреблял на 31% меньше горючего, чем бензиновый двигатель со впрыском через впускной коллектор. Дизели последнего поколения на 29% экономичнее бензиновых двигателей с прямым впрыском, турбокомпрессором на выхлопных газах и уменьшенным литражом.

Дизельные двигатели экономичнее в плане общей стоимости эксплуатации.

Да, дизельный двигатель, в подавляющем числе классов автомобилей, с точки зрения общих годовых эксплуатационных издержек по-прежнему выгоднее. Даже при том, что стоимость покупки, налоги и страховая сумма для дизелей выше, чем для бензиновых автомобилей - 30%-ная экономия топлива компенсирует эти затраты.

С другой стороны, не секрет, что выгода напрямую зависит от годового пробега автомобиля: чем он выше, тем больше эффект от низкого расхода топлива. Это подтверждается рядом исследований: например, по данным немецкой автомобильной ассоциации ADAC, при годовом пробеге в 20 тыс. км “89% дизельных автомобилей более экономичны, чем их бензиновые аналоги”. Ориентировочный прогноз на будущее: если цена дизельного топлива будет расти так же быстро, как цена на бензин - годовой пробег, при котором дизельные двигатели будут становиться рентабельнее бензиновых, будет постоянно сокращаться. Еще проще - чем дороже топливо, тем выгоднее дизель.

Распространение дизельных силовых агрегатов помогает реализовывать программу ЕС по сокращению эмиссии CO2.

Благодаря более чем 30% экономии топлива, дизельные двигатели выбрасывают примерно на 25% меньше CO2, чем обычные бензиновые двигатели. Тенденция приобретать большие автомобили (наметившеяся в некоторых странах Европы) неожиданно положительно сказалась на балансе CO2 - только потому, что многие из этих автомобилей оборудованы дизельными двигателями. Автопроизводители смогут достигнуть целевых показателей ЕС по эмиссии CO2 (120 г/км) только в том случае, если дизельные автомобили сохранят или увеличат свою нынешнюю долю среди всех новых автомобилей (в Европейском Союзе это около 50%).

Введение в странах ЕС налога на CO2 - еще один экономический довод в пользу дизеля.

Введение в странах ЕС налога на эмиссию CO2 создает лишний повод считать дизельные автомобили еще более выгодными, так как они выбрасывают примерно на 25% меньше углекислого газа, чем бензиновые. Следовательно, владельцы дизельных автомобилей заплатят меньший налог.

Дизельные двигатели продолжают совершенствоваться.

Целый ряд решений позволит сделать дизельные двигатели еще более совершенными и сократить расход топлива и, как следствие, выбросы CO2 - по прогнозам ~ на 10% к 2012 г. И уже сегодня, к примеру, концепция минимизации позволяет уменьшать литраж без потери мощности, сокращая расход топлива и эмиссию в двигателях обоих типов. Новые стандарты эмиссии не обязательно приведут к удорожанию дизельных автомобилей.

Сокращение выбросов окиси азота в соответствии с нормами Euro 5, вступающими в действие в 2010 г., вовсе не требует использования дорогостоящих технологий. Во многих случаях (в зависимости от класса автомобиля) современные технологии дизельного впрыска в сочетании с оптимизацией сгорания позволят выполнять даже нормы Euro 6, причем без высокозатратной обработки выхлопных газов и других дополнительных затрат.

Дизельные автомобили завоевывают все большую популярность не только в Европе, но и за ее пределами.

Не европейские страны также стремятся к сокращению вредных выбросов автомобилей и расхода топлива, вводя соответствующие законодательные меры. К примеру, американские покупатели все больше интересуются экономичными и экологически более чистыми двигателями. Сегодня немецкие автопроизводители выводят на американский рынок целый ряд дизельных моделей, соответствующих стандартам эмиссии во всех штатах. Кроме того, США стремятся сократить свою зависимость от импорта сырой нефти, и дизельные двигатели с их более низким расходом топлива могут сыграть ключевую роль в решении этой задачи. Специалисты прогнозируют, что к 2015 году дизельными двигателями будут оснащены 15% и более всех новых легковых и легкогрузовых автомобилей в США.

Вот такие реалии и прогнозы на будущее относительно дизельных двигателей. Понятно, что дизель - это хорошо (и еще лучше, если для дизелей есть хорошее дизельное топливо ). Хорошо, если дизельные двигатели будут только набирать популярность. Но существует опасение, что когда дизельные двигатели, по популярности, обойдут бензиновые - цены на бензин и дизельное топливо займут противоположенные позиции… ну а пока этого не произошло - дизель действительно не только экологичнее, но и выгоднее в эксплуатации.

И последнее. Работы по совершенствованию ДВС продолжаются практически все годы с момента его создания. Были сделаны попытки заменить поршень ротором или винтом, сгорание топлива под поршнем заменить на сгорание вне поршня (двигатель внешнего сгорания) и др. К сожалению, при определённых достоинствах и недостатках, они не получили широкого применения.

Любопытная статья по вопросу совершенствования двигателей появилась на одном из сайтов в Интернете: «Трудно представить жизнь на земле без двигателя. В первую очередь это автомобиль - важнейший элемент современной цивилизации. Количество автомобилей во всем мире перевалило за 500 миллионов и продолжает нарастать с ускорением.

Какая характеристика двигателя важнейшая? Многие, не будучи инженерами-механиками, скажут: экологическая. И будут... неправы. При всем уважении к экологии важнейшей характеристикой двигателя был, есть и всегда будет к.п.д. (коэффициент полезного действия).

Для многих разработчиков моторов одно время "настольной библией" была статья инженера А. Леха из журнала "МОТО", № 10, 1994 - "Господа, купляйте перпетумобилю!". Вот суть статьи: "Каждый, кто обещает сэкономить в двигателе хотя бы 1 % топлива - либо дурак, либо мошенник. Нам, специалистам, все абсолютно ясно. Все, что можно, мы уже сделали. Остальные могут отдыхать".

Удивительно, что примерно так же думают и мировые гранды. Современный двигатель принципиально ничем не отличается от своего прототипа, созданного немцем Отто. Экономичность его росла… в среднем (за последние 30 лет) примерно на 0,2 % в год!

Советским ученым В.М. Кушулем был предложен двигатель с двухстадийным сжиганием топлива. Но большие габариты, вес, сложность стали непреодолимым барьером для освоения новинки.

Аналогичная судьба еще раньше постигла и весьма популярный в свое время "бесшатунник" С.С. Баландина. Габаритные размеры и вес его были существенно меньше, чем у эксплуатируемых конструкций, и к.п.д. должен был быть гораздо выше. Как известно, основной изюминкой двигателя Баландина было отсутствие шатунов. Но наличие значительных температурных и механических напряжений в материале двигателя привели к низкому ресурсу. Двигатели Баландина так и не смогли преодолеть этап экспериментальных образцов.

Впрочем, есть примеры "успешного" освоения. Таков, например, двигатель GDI японской фирмы "Мицубиси". Он экономит на малых нагрузках до 25 % бензина. По сути GDI - "бензиновый дизель" со степенью сжатия 16 и соотношением топлива и воздуха 1:40, а ему и положена такая экономия. На полной же нагрузке никакой экономии (увы!) нет.

В результате сгорания топлива в двигателе образуется некое количество тепловой энергии (река). Далее "река" - теплота растекается по ручьям (потери тепла): с отработавшими газами, на нагрев двигателя, на трение, превращенное в полезную работу. В двухтактных двигателях бывает еще потеря тепла вследствие неполного сгорания топлива. Значение тепла, превращенного в полезную работу в процентах от получаемой энергии и есть к.п.д. двигателя.

Что можно сказать о данной (классической!) модели и количественных оценках? Красиво. Просто. Все значения (кроме тепла, потерянного с отработавшими газами) на самом деле потолочные. Чисто тепловая модель не объясняет типичную зависимость момента от частоты вращения вала. Эта модель не дает ответа на многие вопросы, например: почему двигатель с ростом нагрузки теряет крутящий момент вплоть до своей полной остановки и почему он "не тянет", если холодный, почему быстро теряется крутящий момент на больших оборотах, почему с ростом скорости автомобиля расход топлива увеличивается в геометрической прогрессии? Как же так, господа специалисты, тепло есть, а тяги нет?! Ничто в природе не происходит без причины. Если модель не объясняет свойства двигателя, значит, она неверна. Если успех по одному параметру всегда приводит к существенному ухудшению других характеристик двигателя, то здесь кроется какая-то системная причина.

Мы упомянули случаи заметного повышения к.п.д. двигателя. Известны и другие. Все они достигали одну и ту же цель разными путями. Это неизбежно приводило к трудностям. Но никто не понял, почему так происходит и "что делать" на самом деле.

Как видим, главная загадка двигателя не только в нем, но и в нас - людях.

Двигатель как сложная комплексная система, а не просто тепловая машина, оказался не по зубам узким специалистам во главе с "тепловиками".

Подобные задачки по частям не решаются, а только целиком.

Придется все брать в одну голову и начинать с настоящей теоретической модели двигателя. Недаром Ландау сказал: "Нет ничего практичнее, чем хорошая теория".

Литература

1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.

2. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.

3. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.

4. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.

Размещено на Allbest.ru