Силовые характеристики двигателя внутреннего сгорания

Двигатели могут быть классифицированы по различным признакам.

По назначению их подразделяют на стационарные и транспортные. К стационарным относятся двигатели генераторных, компрессорных, буровых и других установок. Они, как правило, работают в постоянном нагрузочном и скоростном режимах. К транспортным относятся двигатели автомобилей, тракторов, тепловозов, судов и других ТС.

По роду основного топлива для традиционных двигателей выделяют те, которые работают на тяжелом (дизельном) и легком (бензин, керосин) топливе, газовые, многотопливные и другие двигатели. Перспективным видом топлива для ТС в настоящее время считается водород.

По способу преобразования тепловой энергии в механическую различают двигатели внутреннего сгорания, у которых сгорание тогшивовоздушной смеси происходит внутри рабочего тела, и внешнего сгорания, у которых этот процесс осуществляется вне рабочего тела, и теплота передается через стенку.

По способу смесеобразования выделяют двигатели с внешним смесеобразованием (бензиновые карбюраторные и с впрыском топлива во впускной коллектор) и внутренним смесеобразованием (все дизели и бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания).

По способу воспламенения рабочей жидкости различают двигатели с самовоспламенением и искровым зажиганием.

По способу осуществления рабочего цикла двигатели подразделяют на двух- и четырехтактные.

По способу регулирования мощности различают двигатели с количественным (изменяется количество смеси, поступающей в цилиндр), качественным (изменяется соотношение количества воздуха и топлива в смеси) и смешанным регулированием.

По конструкции традиционные двигатели подразделяют на поршневые, роторные, газотурбинные и другие, менее известные. На наземных ТС наиболее широкое распространение получили поршневые двигатели:

• рядные
• V-образные
• а также опозитные с углом развала между поршнями, равным 180°

Различают двигатели без наддува и с наддувом, который может быть динамическим, с турбокомпрессором и приводным компрессором (нагнетателем), а также комбинированным.

В настоящее время на ТС применяют в основном дизели и бензиновые поршневые четырехтактные ДВС. Их отличают автономность, относительная экономичность и высокая удельная мощность. К недостаткам поршневых ДВС можно отнести неоптимальную скоростную, характеристику (изменение мощности и вращающего момента на коленчатом валу в зависимости от частоты его вращения), токсичность отработавших газов, трудность пуска при низких температурах, высокий уровень вибрации и шума.

На колесные и гусеничные тягачи, грузовые автомобили и другие ТС средней и большой грузоподъемности чаще всего устанавливают быстроходные рядные и V-образные дизели, поскольку они экономичнее по сравнению с бензиновыми двигателями, а используемое в них топливо более дешевое и менее пожароопасное. Кроме того, достоинством дизелей является возможность значительного увеличения их мощности за счет применения наддува. Вместе с тем следует отметить, что удельная мощность дизелей меньше, чем у бензиновых двигателей, их топливная аппаратура более сложная и дорогостоящая, а пусковые качества ниже.

Большинство легковых, а также некоторые грузовые автомобили малой и средней грузоподъемности имеют бензиновые двигатели, которые по сравнению с дизелями обладают облегченным пуском при низких температурах, большей компактностью, как правило, повышенной приемистостью и меньшей шумностью. Ранее применялись лишь карбюраторные бензиновые двигатели. В настоящее время наиболее широкое распространение получили двигатели с форсуночным (инжекторным) впрыском бензина.

Для некоторых тяжелых ТС перспективны газотурбинные двигатели. Их преимуществами являются высокая удельная мощность, многотопливность, малая токсичность отработавших газов, возможность выхода на режим максимальной мощности двигателя сразу после пуска, низкий расход смазочного масла, хорошие пусковые качества при низких температурах, автоматическое изменение вращающего момента на валу в довольно широких пределах, малая продолжительность обслуживания, более плавная работа, пониженный уровень вибрации и меньшая эксплуатационная стоимость. К основным недостаткам газотурбинного двигателя, которые ограничивают его использование, следует отнести относительно высокий расход топлива (особенно при малых нагрузках и на холостом ходу), значительный расход воздуха, невысокие динамические (разгонные) характеристики и низкую надежность, связанную с проблемой обеспечения прочности турбинного колеса, которое работает в очень тяжелых температурных условиях.

Двигатель внутреннего сгорания

Когда мы говорим о двигателе автомобиля, то чаще всего представляем себе двигатель внутреннего сгорания, в качестве топлива для которого используется бензин, дизельное топливо, газ, а в последнее время пробуют и водород.

В двигателе внутреннего сгорания, как несложно догадаться, происходит преобразование энергии, выделяемой при сгорании легковоспламеняющихся веществ в механическую энергию. Конструкции двигателей внутреннего сгорания могут отличаться, бывают поршневые двигатели, роторные и газотурбинные.

Но принцип их работы остается неизменным. Энергия, выделяемая при сгорании топлива, в конечном итоге преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя и через систему механических связей передается на колеса, заставляя их вращаться.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания их неэкологичность. При сжигании топлива выделяется много вредных веществ. Исключение в этом составляет водород, продуктом горения которого является обыкновенная вода, но проблема с его использованием на сегодняшний день заключается в дороговизне, хотя вероятно, что в будущем это будет основной вид топлива.

Техническое обслуживание

Немаловажным фактором в эксплуатации остается техническое обслуживание двигателя. Многие автомобилисты не понимают этого понятия и опираются на опыт автосервисов. Что стоит понимать под обслуживание двигателя автомобиля:

1. Замена моторного масла в соответствии с техническими картами и рекомендациями завода изготовителя. Конечно, каждый автопроизводитель ставит свои рамки замены смазочной жидкости, но эксперты рекомендуют менять смазку один раз на 10000 км — для бензиновых ДВС, 12-15 тыс. км — для дизеля и 7000-9000 км — для транспортного средства, работавшим на газу.
2. Замена фильтров масла. Проводится при каждом ТО по замене масла.
3. Замена топливных и воздушных фильтров — один раз на 20 000 км пробега.
4. Чистка форсунок — каждые 30 000 км.
5. Замена газораспределительного механизма — один раз на 40-50 тыс. км пробега или за необходимостью.
6. Проверка всех остальных систем проводится при каждом ТО, вне зависимости от давности замены элементов.

При своевременном и полном техническом обслуживании увеличивается ресурс использования двигателя транспортного средства.

Электро-двигатель

Существуют машины, которые используют в качестве исходной энергии – электричество. Наиболее популярный и близкий к автомобилю вид транспорта, работающий на электричестве – это всем известный троллейбус.

Но полноценным автомобилем его не назовешь, поскольку двигаться троллейбус может только лишь вдоль натянутых проводов, от которых он запитывается электричеством.

Но вы наверняка слышали о машинах, которые называются электромобилями. Электромобили – это автомобили, в которых в качестве силового агрегата используется электродвигатель.

Электродвигатель, как вы понимаете, работает от электрической энергии, которую он получает, как правило, от аккумуляторных батарей.

Электромобили, по сравнению с автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания, имеют массу преимуществ.

Они экологичны, практически бесшумны (что не всегда плюс), быстро набирают скорость, им не нужна коробка скоростей можно даже обойтись без трансмиссии, если поставить двигатели на каждое из колес. То есть такие автомобили могли бы быть намного дешевле, чем автомобили с ДВС, если бы стали массовыми.

Но есть два существенных момента, которые очень сильно ограничивают применение электродвигателей на современных автомобилях. До сих пор не придумали аккумуляторов, которые бы могли запасти в себе достаточное количество электрической энергии.

То есть запас хода электромобиля сегодня ограничен несколькими десятками километров. Если не включать фары, магнитолу, кондиционер, то можно и до сотни километров проехать, но все равно это очень мало. Примерно в 5-6 раз меньше, чем на одной заправке бензином. Впрочем, над этим разработчики постоянно работают и возможно, что когда вы читаете эти строки, уже существует электромобиль с запасом хода более 500 км.

Но даже малый запас хода был бы не так страшен, если бы не время, требуемое на перезарядку аккумуляторов. Если заправка бензином, дизтопливом или газом занимает 5-10 минут, то аккумуляторы придется заряжать часов 12, а то и сутки.

Поэтому, пока электромобили могут использоваться лишь для непродолжительных поездок по городу, после чего всю ночь на зарядке.

Принципы эксплуатации

Автомобильные двигатели эксплуатируются с разным ресурсом. Самые простые двигатели могут иметь технический ресурс 150000 км пробега при правильном техническом обслуживании. А вот некоторые современные дизельные двигатели, которые оснащаются на грузовики, могут выхаживать до 2 миллионов.

Устраивая конструкцию мотора, автопроизводители обычно делают упорство на надежность и технические характеристики силовых агрегатов. Учитывая современную тенденцию, многие автомобильные моторы рассчитаны на небольшой, но надежные срок эксплуатации.

Так, средняя эксплуатация силового агрегата легкового транспортного средства составляет 250 000 км пробега. А дальше, существует несколько вариантов: утилизация, контрактный двигатель или капитальный ремонт.

Несущая система автомобиля представляет собой остов, к которому крепятся все остальные агрегаты: двигатель, трансмиссия, подвеска, рулевое управление и т.д. Несущее основание должно быть достаточно прочным и жёстким, так как на него приходится основная нагрузка при движении автомобиля. Существует два типа несущих систем: отдельная рама (шасси) и несущий кузов.
Рама — это металлическая конструкция, которая несёт на себе кузов и другие компоненты. У автомобилей с отдельной рамой кузов является независимым структурным элементом и крепится к раме с помощью кронштейнов. Рама, двигатель, трансмиссия, подвеска, колёса и системы управления вместе образуют отдельное шасси, способное самостоятельно передвигаться без кузова. Рама обычно сделана из стали или алюминия и сама по себе выступает элементом пассивной безопасности машины.

По форме выделяют несколько разновидностей рам:

• Лонжеронная (лестничная) рама состоит из двух продольных лонжеронов, соединённых поперечинами (траверсами), которые бывают прямыми, К-образными, Х-образными или трубчатыми. Лонжероны имеют прямоугольное швеллерное или замкнутое (короб) сечение, либо круглое сечение (трубчатая рама).
• Периферийная рама — тоже состоит из продольных лонжеронов, но они расположены по периметру кузова на большом расстоянии друг от друга. В отличие от обычной лестничной, такая рама позволяет значительно опустить пол автомобиля и уменьшить его общую высоту.
• Хребтовая рама — несущим элементом шасси является толстая центральная труба, соединяющая двигатель, коробку передач и ведущий задний мост.
• Вильчато-хребтовая и Х-образная рамы — первая представляет собой хребтовую раму с передней и задней вилками для крепления двигателя и заднего моста, вторая — раму с продольными лонжеронами, в центральной части объединёнными в закрытый трубчатый профиль.
• Несущее основание — хребтовая или лонжеронная рама, объединённая с полом автомобиля для повышения жёсткости, при этом пол в салоне отделён от кузова.

Преимущества рамной конструкции заключаются в простоте конвейерной сборки, возможности постоянного изменения дизайна автомобиля, простоте замены повреждённых панелей кузова, способности выдерживать большие нагрузки и хорошей шумо- и виброизоляции салона. В то же время рамные автомобили всегда тяжелее машин с несущим кузовом, при этом их конструкция невыгодна с точки зрения безопасности и рационального размещения узлов и агрегатов, а салон меньше по объёму из-за проходящих под кузовом лонжеронов. В наше время рамное шасси сохранилось только на грузовиках, полноразмерных пикапах и больших внедорожниках.

В современных легковых автомобилях функции рамы выполняет несущий кузов, который несёт на себе всё внутреннее оборудование. Как правило, такой кузов имеет несущий каркас из сваренных деталей и днище, а к ним крепятся подвижные элементы (двери, капот, багажник). Ранние автомобили с несущим кузовом оснащались приваренной к кузову обычной рамой или передним и задним подрамниками, забиравшими на себя часть нагрузки. Среди несущих кузовов различают каркасно-панельные (все внешние панели закреплены на внутреннем металлическом или деревянном каркасе), скелетные (панели являются несущими наряду с каркасом) и оболочковые (панели сварены в цельный корпус, заменяющий каркас) конструкции. Также существует бескаркасно-скорлупный тип несущего кузова (монокок), выполненный из высокопрочных композитных материалов (стеклопластика, углеродного волокна) и не требующий дополнительных усилений (хотя иногда объединённый с лонжеронными подрамниками).

Промежуточное положение между рамой и несущим кузовом занимает т.н. пространственная рама, которая сделана из алюминия или прочной стали и несёт на себе как внутренние агрегаты, так и отдельные панели кузова (обычно алюминиевые или пластиковые). На спортивных и гоночных автомобилях часто использовалась жёсткая пространственная рама из тонких труб.

Силовой агрегат автомобиля

О какой автомобильной модели не шла бы речь, её силовая установка является главным агрегатом, который формирует все технические свойства и ездовые характеристики машины. Поэтому выбирая авто, двигателю необходимо уделить первостепенное внимание. Также необходимо учитывать не только его начальную стоимость, но и те расценки, которые будут предложены сервисменами в процессе эксплуатации машины: марка топлива, масла, расходные материалы, цена текущего ТО, ремонта.

Силовой агрегат автомобиля

Каждый производитель использует свои силовые агрегаты, они могут разительно отличаться технически, обладать определенными преимуществами, но иметь и недоработки. Ещё в недалеком прошлом известные автомобильные бренды предлагали в своих машинах надежные, долговечные, и неприхотливые моторы. Многие из них заслужили популярность не только благодаря техническому потенциалу, но и простоте обслуживания. Со временем приоритеты меняются, разработчики делают главный акцент на экономичности и экологичности моторов, отчего те становятся все более конструктивно сложными, как следствие, дорогими, и не всегда надежными.

Если вы не являетесь специалистом в рассматриваемом вопросе, или не определились в выбором, не только двигателя, но и модели автомобиля, полезно будет пообщаться с опытными мотористами, которым, как правило, известны все сильные и слабые стороны различных типов двигателей, о чем производители предпочитают умалчивать.

Ещё один актуальный аспект — каким должен быть силовой агрегат, бензиновым или дизельным. Автомобили с дизельными силовыми установками, даже если они представляют одну модель и только различные версии, стоят дороже. Дизельные моторы требуют более частого ТО, потребляют большее количество горючего и масла, и известны дороговизной запасных деталей и ремонта. Но у них есть немаловажное достоинство. Отличаясь высоким КПД, крутящим моментом, рабочим ресурсом, они долговечные и, в большинстве своем, экономичней бензиновых оппонентов. Опять же, чтобы дизельный автомобиль оправдал вложенные в него средства его необходимо весьма активно использовать. Именно по этой причине такие машины выбирают пользователи занимающиеся коммерцией, транспортировкой грузов, и прочее.

Если вы намереваетесь эксплуатировать автомобиль преимущественно для передвижения по городу, модель с бензиновым силовым агрегатом будет более предпочтительной, а разница в затратах на топливо незначительной. Хотя, опять же, перед покупкой машины следует познакомиться с её силовой установкой, и уж, конечно, не покупать автомобиль с двигателем, марка которого не заслужила доверия, как экспертов, так и пользователей. Таковые имеются, и предостаточно.

Следует учесть и совместимость силового агрегата с моделью и модификацией автомобиля. Масса мотора, его объём, количество цилиндров, все это имеет большое значение. Конечно, если под капотом машины двигатель, у которого 12 цилиндров, проблем с динамическим ускорением или тягой возникать не должно, но они могут появиться, если этот мотор придётся ремонтировать. Поэтому необходимо определиться не только с вопросом, где вы будете использовать автомобиль, но и как вы намереваетесь это делать, учесть индивидуальную манеру вождения, опыт. Поэтому время для выбора оптимального варианта, вряд ли будет потраченным напрасно.

Силовой агрегат транспортного средства (варианты)

О какой автомобильной модели не шла бы речь, её силовая установка является главным агрегатом, который формирует все технические свойства и ездовые характеристики машины. Поэтому выбирая авто, двигателю необходимо уделить первостепенное внимание. Также необходимо учитывать не только его начальную стоимость, но и те расценки, которые будут предложены сервисменами в процессе эксплуатации машины: марка топлива, масла, расходные материалы, цена текущего ТО, ремонта.

Силовой агрегат автомобиля

Каждый производитель использует свои силовые агрегаты, они могут разительно отличаться технически, обладать определенными преимуществами, но иметь и недоработки. Ещё в недалеком прошлом известные автомобильные бренды предлагали в своих машинах надежные, долговечные, и неприхотливые моторы. Многие из них заслужили популярность не только благодаря техническому потенциалу, но и простоте обслуживания. Со временем приоритеты меняются, разработчики делают главный акцент на экономичности и экологичности моторов, отчего те становятся все более конструктивно сложными, как следствие, дорогими, и не всегда надежными.

Если вы не являетесь специалистом в рассматриваемом вопросе, или не определились в выбором, не только двигателя, но и модели автомобиля, полезно будет пообщаться с опытными мотористами, которым, как правило, известны все сильные и слабые стороны различных типов двигателей, о чем производители предпочитают умалчивать.

Ещё один актуальный аспект — каким должен быть силовой агрегат, бензиновым или дизельным. Автомобили с дизельными силовыми установками, даже если они представляют одну модель и только различные версии, стоят дороже. Дизельные моторы требуют более частого ТО, потребляют большее количество горючего и масла, и известны дороговизной запасных деталей и ремонта. Но у них есть немаловажное достоинство. Отличаясь высоким КПД, крутящим моментом, рабочим ресурсом, они долговечные и, в большинстве своем, экономичней бензиновых оппонентов. Опять же, чтобы дизельный автомобиль оправдал вложенные в него средства его необходимо весьма активно использовать. Именно по этой причине такие машины выбирают пользователи занимающиеся коммерцией, транспортировкой грузов, и прочее.

Устройство автомобиля: агрегаты, узлы и детали

Любой автомеханик, электрик, мехатроник сталкивается с тремя понятиями «деталь», «узел» и «агрегат».

• Деталь автомобиля
  – это его неразъемная (изготовленная без применения сборки) конструктивная часть из однородного по структуре материала.p;
• Узлы
  – это объединение нескольких деталей. По факту – это уже сборочная единица. При этом, если совокупность из несколько деталей направлена на преобразование скорости, вида движения, мы имеем дело с механизмом. Характерные узлы – пневматичский цилиндр, обгонная муфта, наглядный же пример механизма – планетарный механизм. Иногда также можно встретиться с понятием «компонент». Этот термин актуален для автомобильной электрики. Типичный компонент – это, например, свеча зажигания.
• Агрегат
  — это объединение нескольких механизмов для решения какой-либо одной задачи.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Автомобильные моторы делятся на несколько видов и классификаций, в зависимости от устройства и работы ДВС. Классификация ДВС за международными стандартами:

1. За видом впрыска топливной смеси:
   Те, которые работают на жидких топливах (бензин, керосин, дизельное топливо).
2. Те, что работают на газообразных топливах.
3. Те, что работают на альтернативных источниках (электричество).

1. Состоящий за циклами работы:
   2хтактные
2. 4хтактные

1. По способу смесеобразования:
   с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые силовые агрегаты),
2. с внутренним смесеобразованием (дизель, турбодизель, непосредственный впрыск)

1. По способу зажигания рабочей смеси:
   с принудительным зажиганием смеси (карбюраторные, двигатели с непосредственным впрыском легких топлив);
2. с воспламенением от сжатия (дизели).

1. По числу и расположению цилиндров:
   одно-, двух-, трех- и т.д. цилиндровые;
2. однорядные, двухрядные

1. По способу охлаждения цилиндров:
   с жидкостным охлаждением;
2. с воздушным охлаждением.

Вывод

Конструкция и особенности современных моторов постоянно совершенствуются. Так, весь мир уже невозможно представить без выхлопных газов, машин и автосервисов. Работающий ДВС узнать легко по характерному звуку. Принцип работы и устройство двигателя внутреннего сгорания достаточно простое, если разобраться один раз.

А вот, что качается технического обслуживания, то здесь поможет смотреть техническую документацию. Но, если человек не уверен, что он может провести ТО или ремонт автомобиля своими руками, то стоит обратиться в автосервис.

Недостатки контрактных моторов

Несмотря на большое количество плюсов от покупки контрактного силового агрегата, следует учесть, что мотор уже был в эксплуатации, соответственно, его детали имеют определенную степень износа. Поэтому, выбирать такой двигатель необходимо взвешенно. Следует отказаться от покупки, если было установлено, что мотор снят с неисправного транспортного средства, поскольку его эксплуатационный период будет недолгим.

Еще одним минусом контрактного силового агрегата, является то, что не всегда получается подобрать подходящий. Найти мотор для современного автомобиля гораздо проще, чем для транспортного средства, выпущенного в конце 80-90-х годов. Покупка силового агрегата за границей довольно хлопотное занятие, которое отнимает большое количество времени на его поиск и оформление соответствующей документации.

В итоге, приобретать контрактный силовой агрегат можно только в том случае, если известно, что он имеет относительно небольшой эксплуатационный ресурс, в противном случае, такая покупка окажется экономически невыгодной.

Принцип работы двигателя

Вне зависимости от конструктивного исполнения двигателя внутреннего сгорания, сохраняется общий принцип работы, основанный на том, что поршни, под воздействием энергии расширяющегося в камерах цилиндров газа двигаются прямолинейно, с получением на выходе вращения коленчатого вала. От него вращательное движение через трансмиссию передается на ходовые колеса или другие исполнительные механизмы.

Детальнее о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, показано на примере двух- и четырехтактных установок.

Принцип работы двухтактного двигателя

Двухтактный двигатель работает в такой последовательности:

• поршень начинает двигаться снизу вверх, в начале цикла пребывая в нижней мертвой точке – после сжатия воздушно-топливной смеси, она воспламеняется с поджиганием в максимально верхнем положении;
• при сгорании, поршень выталкивается вниз, с открытием выпускного клапана, за счет которого продукты сгорания высвобождают камеру.

Описанный цикл повторяется в таком же порядке, с одновременным впуском и сжатием. По мере передвижения поршня вверх, в подпоршневое пространство втягивается воздух, с его переходом по каналу в надпоршневую часть, после достижения верхней мертвой точки.

Двухтактные двигатели внутреннего сгорания получили ограниченное применение. Такие силовые установки размещают на небольших механизмах – скутерах и мопедах, легких моторных катерах и лодках, газонокосилках.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Полный цикл работы четырехтактного двигателя состоит из таких отдельных этапов:

• впуска – с движением поршня вниз, с нижней мертвой точке; в начале опускания срабатывает впускной клапан, открывая доступ для топливо-воздушной смеси (или исключительно воздуха, при непосредственном впрыске); в камере сгорания создается необходимое давление (возможна дополнительная подача воздуха, при наличии турбонадува);
• сжатия – после достижения крайней нижней точки, поршень двигается вверх; перекрывается впуск воздуха, а камера сжимается до критической отметки давления, с распыленным топливом в объеме над поршнем;
• рабочего хода – при максимальном сокращении объема камеры сгорания, топливо воспламеняется самопроизвольно (для дизельного мотора) или от поданной искры свечи (для бензинового); расширившийся газ двигает поршень вниз, к нижней мертвой точке;
• выпуска – с открытием выпускного клапана и вытеснением поршнем сгоревших газов из камеры, при возвращении в верхнюю мертвую точку.

При общем количестве тактов – четыре, лишь один включает получение полезной работы, когда поршень двигается под воздействием расширяющихся газов в камере сгорания. Три остальных такта несут вспомогательную нагрузку, с новым впрыском топлива, созданием необходимого давления и выпуском отработанных газов.

Учитывая особенности работы, по завершении цикла коленчатый вал остановился бы, поскольку система достигает точки равновесия. Но вращение продолжает маховик, придающий инерцию коленчатому валу, с последующим повторением описанных тактов.

Такой двигатель установлен на большинстве современной техники – автомобилях, тракторах и самоходных машинах, железнодорожных локомотивах, компрессорных и насосных блоках, других агрегатах.

Сравнивая двух- и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, важно учесть, что первые отличает большая компактность. Но эффективность двухтактных моделей меньше, по сравнению с четырехтактными, поэтому их применение ограничено.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

1.1. Выбор и обоснование исходных данных

Степень сжатия. При выборе степени сжатия двигателей с искровым зажиганием руководствуются следующими данными: степенью сжатия двигателя прототипа (прил. Б, табл. 1 – 10 или справочные данные из других источников), примерным соотношением между степенью сжатия и октановым числом топлива (табл. 1.1), нормами октановых чисел для бензинов и газового топлива (табл. 1.2, 1.3)

С одной стороны, увеличение степени сжатия дает возможность повысить экономичность и удельную мощность двигателя. Но, с другой, это увеличивает нагрузки на детали кривошипношатунного механизма, повышает токсичность (у бензиновых двигателей) за счет увеличения выделения углеводородов, появляется необходимость в применении высокооктановых топлив. В этой ситуации применение в качестве моторного топлива газовых видов топлив и, в частности природного газа, может быть перспективным решением этих вопросов. Природный газ не требует существенной и дорогостоящей технологической переработки. Коэффициент полезного действия газовых двигателей ηе = 38 – 40 % в широком диапазоне режимов. Увеличивается срок службы двигателя до капитального ремонта в 1,5 раза (по сравнению с двигателями на жидком топливе), а сроки смены масла увеличиваются до 2 раз. Степень сжатия дизельного двигателя выбирают с учетом принятого типа смесеобразования и формы камеры сгорания. При этом ориентируются в основном на показатели двигателя – прототипа. С повышением степени сжатия улучшаются пусковые качества дизеля, но увеличиваются нагрузки на детали двигателя. У современных автомобильных дизелей степень сжатия  = 16 – 22. Для дизельных двигателей применяют дизельное топливо с цетановым числом не менее 45. Состав смеси. Тепловой расчет двигателя выполняют для номинального режима работы. Получить максимальную мощность бензиновых двигателей и газовых двигателей, работающих на пропан–бутановой смеси, можно обогащением смеси. Коэффициент избытка воздуха таких смесей  = 0,85 – 0,99. У дизельных и газовых двигателей, работающих на природном газе для получения максимальной мощности необходимо несколько обогатить состав смеси, но, в общем, смесь останется бедной. Газовые двигатели (работающие на природном газе) на номинальном режиме работы имеют коэффициенты избытка воздуха  = 1,15 – 1,3. Значение коэффициента избытка воздуха для дизелей колеблется в пределах, указанных в табл. 1.4.

1.2. Свежая смесь и продукты сгорания

При полном сгорании топлива (α > 1 для газовых двигателей, работающих на природном газе или метане) продуктами сгорания являются углекислый газ CO2, водяной пар H2O, избыточный кислород O2 и азот N2.

1.3. Процесс впуска

Основной задачей процесса впуска является наполнение цилиндра свежей смесью.

Если проектируемый двигатель имеет наддув, то в качестве параметров окружающей среды берут давление и температуру воздуха после компрессора. Давление, создаваемое компрессором pк, принимают в соответствии с выбранной степенью наддува (табл. 1.8).

Значения показателя политропы сжатия воздуха в компрессоре

Полученные значения pк и Tк подставляют в формулы расчета давления и температуры в конце впуска и коэффициента наполнения вместо p0 и T0. После получения результатов расчета параметров процесса впуска их сравнивают со значениями параметров процесса впуска современных двигателей (табл. 1.10). Если при сравнении получаемые значения параметров не попадают в указанные в табл. 1.10 диапазоны, то необходимо уточнить расчет путем изменения выбираемых значений параметров, входящих в расчетные формулы (табл. 1.7 – 1.9).

1.4. Процесс сжатия

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышаются температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надежное воспламенение и эффективное сгорание топлива.

1.5. Процесс сгорания

Процесс сгорания – основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышении внутренней энергии рабочего тела и совершении механической работы. Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце фазы видимого сгорания (максимальные значения давления и температуры). Для расчета максимальной температуры сгорания (максимальной температуры рабочего цикла Tz) в расчете используются уравнения сгорания для бензинового и газового двигателей, для дизеля:

где Hн – низшая теплота сгорания топлива (для бензинов Hн = 44000 кДж / кг, для газового топлива Hн = 35000 кДж / кг, для дизельного топлива Hн = 42500 кДж / кг); ξ – коэффициент использования тепла, который учитывает потери тепла в процессе сгорания (в основном вследствие теплоотдачи в стенки и догорания топлива). По опытным данным для бензиновых двигателей на номинальном режиме ξ = 0,9 – 0,95, для газовых двигателей ξ = 0,8 – 0,85, для быстроходных дизелей с неразделенными камерами сгорания ξ = 0,75 – 0,85, для дизелей с разделенными камерами сгорания ξ = 0,7 – 0,8; ΔHн – потери тепла изза неполноты сгорания (характерно для двигателей, работающих с полной нагрузкой при α < 1). В зависимости от величины α эти потери можно подсчитывать по формуле, кДж / кг:

λсг – степень повышения давления, равная отношению максимального давления сгорания к давлению конца сжатия. Для бензиновых и газовых двигателей её рассчитывают. Для дизелей ее устанавливают опытным путем. При расчетах λсг выбирают в пределах, таким образом, чтобы максимальное давление цикла не превышало 12 МПа (для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λсг = 1,6 – 2,5, для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами и пленочным смесеобразованием λсг =1,2 – 1,8). У бензиновых двигателей λсг находится в пределах λсг = 3,2 – 4,2, а газовых – λсг = 3,0 – 5,0; μ – действительный коэффициент молекулярного изменения. При известном химическом коэффициенте молекулярного изменения μ0 и коэффициенте остаточных газов γr μ определяется по формуле:

mcv – средняя мольная теплоемкость рабочей смеси при постоянном объеме. Количество остаточных газов по сравнению со свежей смесью невелико, поэтому теплоемкость рабочей смеси принимают равной теплоемкости воздуха. В интервале температур от начальной до температуры конца сжатия tc = Tc – 273 ˚C ее подсчитывают по формуле, кДж / кмоль·град:

mcv’’ – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме, кДж / кг·град. В общем случае ее подсчитывают по теплоемкости остальных составляющих продуктов сгорания с учетом количества каждого компонента в смеси. Учитывая, что состав продуктов сгорания при работе двигателей на номинальном режиме изменяется незначительно, можно принять, кДж / кг·град: для бензиновых двигателей:

Решение уравнений сгорания сводится в подстановке в них заданных (выбираемых) постоянных величин и приведение их к квадратному уравнению. При решении квадратного уравнения будут получены два корня, один из которых является ложным (имеет отрицательное значение), а второй истинным, т. е. искомой температурой Tz. Давление сгорания в бензиновом и газовом двигателях (двигателях, работающих по циклу с подводом тепла при V = const) определяют по формуле.

При расчетах предполагалось, что сгорание в двигателях происходит при постоянном объеме, равном объему камеры сгорания. Однако в действительности за время сгорания поршень уходит от В.М.Т. и объем цилиндра к концу сгорания увеличивается, что приводит к снижению давления до величины действительного давления сгорания. Действительное давление сгорания у бензиновых и газовых двигателей определяется

Степень повышения давления для бензиновых и газовых двигателей определяется.

Для дизельного двигателя давление сгорания подсчитывают по выбранной ранее степени повышения давления, МПа.

Действительное давление у современных дизелей примерно равно расчетному. У дизельных двигателей, кроме давления и температуры сгорания, определяют степень предварительного и последующего расширения. Степень предварительного расширения.

Степень последующего расширения.

После получения результатов расчета параметров процесса сгорания их сравнивают со значениями параметров процесса сгорания современных двигателей (табл. 1.12). Если при сравнении получаемые значения параметров не попадают в указанные в табл. 1.12 диапазоны, то необходимо уточнить расчет.

1.6. Процесс расширения

Процесс расширения является единственным положительным процессом двигателя, т. к. при его протекании энергия, полученная при сгорании топлива, превращается в полезную механическую работу. Расчет процесса расширения заключается в определении параметров состояния газа в конце расширения, когда поршень находится в Н.М.Т. Давление pb (МПа) и температуру Tb (К) в конце процесса расширения подсчитывают по формулам политропного процесса: для бензинового и газового двигателей.

n2 – средний показатель политропы расширения. Величина n2 зависит от интенсивности теплообмена между продуктами сгорания и стенками цилиндра, камеры сгорания и днищем поршня. При расчетах показатель политропы задаётся: для бензиновых двигателей n2 = 1,23 – 1,3; для газовых двигателей n2 = 1,25 – 1,35; для дизелей n2 = 1,18 – 1,28. При выборе n2 учитывают, что повышенной температуре конца сгорания и небольшой степени сжатия соответствует меньшее значение показателя. После получения результатов расчета параметров процесса расширения, их сравнивают со значениями параметров процесса расширения современных двигателей (табл. 1.13). Если при сравнении получаемые значения параметров не попадают в указанные в табл. 1.13 диапазоны, то необходимо уточнить расчет.

1.7. Индикаторные показатели рабочего цикла

Индикаторные показатели характеризуют эффективность организации рабочих процессов без учета потерь механических потерь. Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа: для бензиновых и газовых двигателей.

Действительное среднее индикаторное давление меньше теоретического давления на величину, пропорциональную уменьшению площади индикаторной диаграммы за счет скруглений диаграммы в конце процессов сжатия, сгорания и расширения. Действительное среднее индикаторное давление определяется.

где φп – коэффициент полноты индикаторной диаграммы (у бензиновых и газовых двигателей φп = 0,95 – 0,98, у дизелей φп = 0,92 – 0,95). Получаемые значения pi должны соответствовать значениям современных двигателей. У современных автомобильных двигателей величина pi лежит в пределах: бензиновые и газовые двигатели pi = 0,6 – 1,6 МПа; дизельные двигатели без наддува pi = 0,7 – 1,1 МПа; дизельные двигатели с наддувом до 2,5 МПа. Индикаторный КПД, для двигателей, работающих на жидком топливе (низшую теплоту сгорания подставлять в МДж / кг): где l0 – теоретически необходимое количество воздуха (в кг) для сгорания одного кг топлива (для бензинов l0 = 14,96 кг / кг, для дизельного топлива l0 = 14,45 кг / кг, для газового топлива l0 = 15,3 кг / кг); ρ0 – плотность заряда на впуске, кг/м3.

где B – удельная газовая постоянная (B = 287 Дж / кг·град). У двигателей с наддувом вместо показателей p0 и T0 в формулу по расчету плотности заряда на впуске подставляют значения pк и Tк. Индикаторный КПД, для двигателей, работающих на природном газе (метане) (количество свежей смеси подставлять в моль / моль, а низшую теплоту сгорания подставлять в МДж / м3).

Получаемые значения ηi должны соответствовать значениям современных двигателей. У современных автомобильных двигателей величина ηi лежит в пределах: бензиновые двигатели ηi = 0,35 – 0,45; газовые двигатели ηi = 0,28 – 0,35; дизельные двигатели ηi = 0,4 – 0,5. Индикаторный удельный расход топлива для двигателей, работающих на жидком топливе, г / кВт·ч.

где Hн выражена в МДж / кг; Индикаторный удельный расход топлива для двигателей, работающих на газообразном топливе, м3 / кВт·ч.

где Hн выражена в МДж / м3. Удельный расход теплоты на единицу индикаторной мощности, для двигателей, работающих на газообразном топливе, МДж / кВт·ч.

где Hн выражена в МДж / м3. Получаемые значения индикаторного удельного расхода топлива должны соответствовать значениям современных двигателей. У современных автомобильных двигателей величина gi(qi) лежит в пределах: бензиновые двигатели gi = 180 – 230 г/ кВт·ч; газовые двигатели qi = 10,5 – 13,5 МДж/ кВт·ч; дизельные двигатели gi = 170 – 210 г/ кВт·ч.

1.8. Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели – это показатели характеризующие работу двигателя с учетом действующих в нем потерь. Среднее эффективное давление, МПа.

где pм – среднее давление механических потерь, которые подсчитываются по средней скорости поршня, МПа.

1.9. Основные размеры и характеристики двигателя

Полученное значение эффективной мощности сравнивают с заданной величиной. Если расчеты выполнены правильно, то полученная мощность будет равна или несколько больше заданной. Полученное значение средней скорости поршня сравнивают с принятой ранее (см. п. 1.8). Если отклонение составляет больше 5%, то выбирают новое значение и повторяют расчет эффективных показателей и размеров двигателя.

1.10. Анализ и оценка показателей двигателя

Удельный расход топлива на номинальном режиме двигателяпрототипа принимают исходя из внешней скоростной характеристики. Если характеристики нет, удельный расход можно определить примерно, увеличив минимальный расход топлива в 1,2 раза. Анализируют показатели проектируемого двигателя, сравнивая с двигателемпрототипом и другими аналогичными современными двигателями. Качество двигателя оценивают, прежде всего, по удельным показателям (среднее эффективное давление, литровая мощность, удельный эффективный расход топлива). В результате анализа делают вывод о достоинствах проектируемого двигателя и соответствии современному уровню.

1.11. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторной диаграммой называют зависимость давления в цилиндрах двигателя от изменения объема в надпоршневом пространстве или хода поршня. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится с использованием данных рабочего процесса. При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту, равной 1,5 – 2 длины ее основания. На рис. 1.1 и 1.2 представлены индикаторные диаграммы двигателей, построенные методом проф. Ф. А. Брикса. В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине, равный ходу поршня в масштабе Ms, который в зависимости от величины хода поршня может быть принят 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Все процессы (такты) четырехтактного двигателя происходят за 7200 поворота коленчатого вала двигателя. Такт впуска является первоначальным тактом работы двигателя, начинающийся в точке r (00) и заканчивающийся в точке a (1800). В связи с незначительными колебаниями давлений в процессе впуска считаем, что он происходит при одинаковом давлении равном ра. Так как для увеличения наполнения в двигателях впускной клапан открывается еще на процессе выпуска, то происходит сглаживание индикаторной диаграммы (кривая r – точка 300). У дизельных двигателей сгорание происходит как при постоянном давлении, так и при постоянном объеме. Поэтому процесс сгорания будет начинаться в точке 3300 (момент начала впрыска топлива), проходить через точку с’ и z и заканчиваться в точке z’. Отрезок z’z для дизелей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты (рис. 1.2), определяется по уравнению

Двигатель автомобиля: назначение и виды силовых агрегатов современных транспортных средств

Без рубрики

Двигатель, пожалуй, можно назвать самой важной частью автомобиля. Ведь без двигателя автомобиль не сдвинется с места, но и без колес тоже далеко не уедешь, поэтому не будем делить автомобильные системы по важности, а просто попробуем узнать чуточку больше, об автомобильном двигателе.

Двигатель – это силовая установка, источник энергии автомобиля. Он используется для того чтобы машина могла выполнять свою основную функцию – перевозку грузов и пассажиров, но кроме этого, энергия, вырабатываемая двигателем, используется для обеспечения функционирования всех вспомогательных систем, например для работы кондиционера.

Впрочем, все вспомогательные системы, как правило, работают от электричества, вырабатываемого генератором или забираемой от аккумуляторов. А вот генератор как раз приводится в действие с помощью двигателя, передавая ему механическую энергию вращения вала.

Для обеспечения движения автомобиля так же используется механическая энергия вала двигателя, которая передается от двигателя на колеса через трансмиссию.

То есть, по сути, двигатель нужен для того, чтобы преобразовать какой-либо вид энергии в механическую энергию вращения вала, которая через систему механических связей передается на колеса, заставляя автомобиль двигаться.

Двигатель внутреннего сгорания

Когда мы говорим о двигателе автомобиля, то чаще всего представляем себе двигатель внутреннего сгорания, в качестве топлива для которого используется бензин, дизельное топливо, газ, а в последнее время пробуют и водород.

В двигателе внутреннего сгорания, как несложно догадаться, происходит преобразование энергии, выделяемой при сгорании легковоспламеняющихся веществ в механическую энергию. Конструкции двигателей внутреннего сгорания могут отличаться, бывают поршневые двигатели, роторные и газотурбинные.

Но принцип их работы остается неизменным. Энергия, выделяемая при сгорании топлива, в конечном итоге преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя и через систему механических связей передается на колеса, заставляя их вращаться.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания их неэкологичность. При сжигании топлива выделяется много вредных веществ. Исключение в этом составляет водород, продуктом горения которого является обыкновенная вода, но проблема с его использованием на сегодняшний день заключается в дороговизне, хотя вероятно, что в будущем это будет основной вид топлива.

Но двигатели внутреннего сгорания – не единственные автомобильные двигатели.

Электро-двигатель

Существуют машины, которые используют в качестве исходной энергии – электричество. Наиболее популярный и близкий к автомобилю вид транспорта, работающий на электричестве – это всем известный троллейбус.

Но полноценным автомобилем его не назовешь, поскольку двигаться троллейбус может только лишь вдоль натянутых проводов, от которых он запитывается электричеством.

Но вы наверняка слышали о машинах, которые называются электромобилями. Электромобили – это автомобили, в которых в качестве силового агрегата используется электродвигатель.

Электродвигатель, как вы понимаете, работает от электрической энергии, которую он получает, как правило, от аккумуляторных батарей.

Электромобили, по сравнению с автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания, имеют массу преимуществ.

Они экологичны, практически бесшумны (что не всегда плюс), быстро набирают скорость, им не нужна коробка скоростей можно даже обойтись без трансмиссии, если поставить двигатели на каждое из колес. То есть такие автомобили могли бы быть намного дешевле, чем автомобили с ДВС, если бы стали массовыми.

Но есть два существенных момента, которые очень сильно ограничивают применение электродвигателей на современных автомобилях. До сих пор не придумали аккумуляторов, которые бы могли запасти в себе достаточное количество электрической энергии.

То есть запас хода электромобиля сегодня ограничен несколькими десятками километров. Если не включать фары, магнитолу, кондиционер, то можно и до сотни километров проехать, но все равно это очень мало. Примерно в 5-6 раз меньше, чем на одной заправке бензином. Впрочем, над этим разработчики постоянно работают и возможно, что когда вы читаете эти строки, уже существует электромобиль с запасом хода более 500 км.

Но даже малый запас хода был бы не так страшен, если бы не время, требуемое на перезарядку аккумуляторов. Если заправка бензином, дизтопливом или газом занимает 5-10 минут, то аккумуляторы придется заряжать часов 12, а то и сутки.

Поэтому, пока электромобили могут использоваться лишь для непродолжительных поездок по городу, после чего всю ночь на зарядке.

Гибридные силовые агрегаты

Но преимущество электродвигателей над ДВС настолько велико, что желание их использовать хотя бы частично привело к появлению гибридных силовых установок, которые сегодня достаточно активно используются на автомобилях.

Гибридные силовые установки – это объединенные на одном автомобиле двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель (как правило, их 4, по одному на каждое колесо). Такие автомобили называют гибридными.

Существуют три схемы гибридных установок.

В первой энергия ДВС используется исключительно для выработки электрической энергии при помощи генератора. А уже от генератора энергия передается на зарядку аккумуляторов и на электродвигатели, обеспечивающие вращение колес.

Но более популярна другая схема. Во второй схеме привод на колеса осуществляется как от ДВС, так и от электродвигателей. ДВС и электродвигатели могут использоваться как самостоятельно, так и вместе.

Третий вариант – это сочетание первого и второго.

Вот такие они двигатели автомобиля, разнообразные и неоднозначные. Более подробно свойства, принцип работы, детали мы разберем в будущих публикациях.

Источник https://xn--56-dlclbsgbh1blkr.xn--p1ai/avto-pro/silovoj-agregat-avtomobilya-eto.html

Источник https://kiauto.ru/avtomobil-baza/silovoj-agregat-avtomobilya.html

Источник https://autodromo.ru/articles/dvigatel-avtomobilya-naznachenie-i-vidy-silovyh-agregatov-sovremennyh-transportnyh-sredstv/