В процессе работы двигателя свойства

• Изобретение двигателя внутреннего сгорания, а также применение его в разных сферах, в том числе и мото — и автотранспорте, позволило значительно упростить жизнь человеку.
• Конечно, двигатели внутреннего сгорания, такими какие они есть сейчас, появились не сразу, с момента появления он постоянно совершенствуется.
• Хотя на данный момент у этих двигателей лишь модернизируются те или иные составляющие, основная же концепция их остается неизменной.

Цикл работы двигателя, рабочие такты

Появившиеся очень давно двигателя внутреннего сгорания как работающие на бензине, так и дизельном топливе, и применяемые сейчас, делятся на два вида:

1. Двухтактные;
2. Четырехтактные.

Как видено из названия сводится различие принципа функционирования двигателя в количестве тактов – движений поршня, за которые он выполняет определенный цикл работ.

Для четырехтактного двигателя определено 4 такта в результате которых один поршень выполняет полный цикл – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

В каждом из этих циклов в цилиндре двигателя выполняются определенные процессы. Все они направлены на достижение одной цели – обеспечение преобразования энергии сгорания топлива во вращение коленчатого вала.

Так, при такте впуска в цилиндр подается горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха, без которого процесс горения невозможен. Причем образование и подача этой смеси у бензинового и дизельного двигателя отличаются.

Далее идет такт сжатия, при котором поступившая смесь сжимается в объеме. Делается это для того, чтобы в меньшем объеме образовалось больше горючей смеси.

1. Уменьшение объема позволяет при следующем такте обеспечить более высокое КПД при сгорании топлива.
2. 
3. Рабочий ход – единственный из всех тактов, при нем энергия отдается, а не забирается и для него существуют все остальные такты.
4. После сжатия происходит воспламенение смеси, у бензиновых двигателей – за счет искры, проскакиваемой между электродами свечи накаливания, у дизелей – за счет высокого давления, при котором смесь нагревается настолько, что воспламеняется.
5. При воспламенении смеси выделяется энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз, при этом выделенная от сгорания энергия передается поршнем на коленвал посредством шатуна.
6. 

Выпуск – такт, направленный на очистку полости цилиндра от продуктов горения. После очистки цикл повторяется вновь.

• 
• Из всего вышесказанного выходит, что один цикл движения поршня в цилиндре направлен только на получение одного такта – рабочего хода, все остальные такты только помогают получить его, причем для их выполнения задействуется часть энергии, которую отдает такт рабочего хода.
• Каждый такт двигателя соответствует определенному движению поршня в цилиндре.
• Существуют две крайние точки положения поршня, получивших название мертвых точек.
• Одна из них верхняя – выше поршень уже подняться в цилиндре не может, а вторая – нижняя, при которой он ниже не опускается.
• 
• Обеспечиваются эти точки кривошипом коленчатого вала, к которому поршень присоединен шатуном.

При движении поршня от одной точки к другой, а затем наоборот, и выполняются такты. То есть, при движении поршня от нижней точки (НМТ) к верхней (ВМТ) могут выполняться два такта – сжатие и выпуск, а при движении наоборот – впуск и рабочий ход.

Имея представление о тактах, можно говорить и о типах двигателей, а их два – 2-тактный и 4-тактный.

У каждого из этих двигателей цикл производится по-разному, что влияет на их конструкцию и многие другие параметры и характеристики.

Оппозитный двигатель, достоинства и недостатки

Конструкция и принцип работы 2-тактного двигателя

1. 2-тактный двигатель нашел наибольшее распространение на малой технике (бензопилы, мотокосы), мотоциклах.
2. Когда-то существовали даже дизельные 2-х тактные двигатели, устанавливаемые на грузовики, к примеру, МАЗ-200.
3. 
4. Интересно, что описанные выше такты у любого двухтактного двигателя никуда не делись, просто они были совмещены.

В итоге это позволяет сократить полный цикл всего в один оборот колен. вала.

Так, при движении поршня от НМТ производится сразу два такта – выпуск и сжатие, а при движении от ВМТ – впуск и рабочий ход.

Достигнуть этого всего возможно при использовании окон в цилиндрах, через которые производится засасывание и перекачивание топливной смеси, а также отвод продуктов горения.

Открытие и закрытие этих окон обеспечивается самим поршнем. Чтобы соблюдалась правильность работы механизма, окна располагаются на разных уровнях в стенках цилиндра.

• Чтобы было более понятно, возьмем двигатель мотоцикла «ИЖ Планета 5».
• 
• Данный мотоцикл укомплектован одноцилиндровым двухтактным мотором.
• Цилиндр располагается поверх корпуса двигателя, охлаждение его воздушное, поэтому у него по окружности располагаются ребра охлаждения.
• С одной стороны, к цилиндру прикреплен патрубок, идущий от карбюратора, по нему в цилиндр поступает горючая смесь.
• Напротив, этого патрубка устанавливается труба отвода отработанных газов.
• Вверху цилиндр прикрывает головка, в которой размещена свеча накаливания.
• 

Внутри цилиндра располагается поршень, связанный с кривошипом коленчатого вала через шатун. Далее уже он связан со сцеплением и трансмиссией, но это пока неважно.

1. Для подачи топлива в надпоршневое пространство в двухтактном двигателе задействовано и подпоршневое пространство.
2. При движении поршня вверх в подпоршневом пространстве создается разряжение, в которое засасывается топливовоздушная смесь через впускное окно.
3. Подача же из подпоршневого пространства в надпоршневое производится от избыточного давления, которое возникает при движении поршня вниз.

Подача топлива производится через перепускное окно. Выпуск продуктов горения проходит через выпускное окно.

Теперь как все это работает.

Начнем с движения поршня к ВМТ. Находясь в НМТ, поршень обеспечивает открытие перепускного и выпускного окон. Избыточное давление в подпоршневом пространстве выталкивает горючую смесь в надпоршневое пространство.

Двигаясь вверх, поршень перекрывает открытые окна, в результате чего камера сгорания становится герметичной.

Доходя до ВМТ, поршень сжимает смесь далее подается искра от свечи накаливания, которая установлена в головке цилиндра.

В это время, поршень двигаясь вверх, открывает впускное окно, через которое смесь поступает в подпоршневое пространство. То есть получается, что в одном такте – движении поршня от НМТ к ВМТ происходит два действия: вначале впуск топлива, затем – сжатие.

После воспламенения топлива, выделенная при этом энергия толкает поршень вниз.

Двигаясь вниз он от ВМТ, поршень открывает сначала выпускное окно. При сгорании объем продуктов горения значительно увеличивается, поэтому они сразу начинают вырываться через это окно.

Получается, что при движении поршня вниз вначале выполняется рабочий ход, а после открытия выпускного окна – еще и такт выпуска.

Дальше при движении поршня вниз, он открывает перепускное окно и топливо начинает поступать в надпоршневое пространство – цикл начинает повторяться, при этом на выполнение всего цикла понадобилось только движение поршня сначала вверх, а затем вниз, что соответствует одному обороту колен. вала.

Принцип работы 4-тактного двигателя

Теперь о принципе работы 4-тактных двигателей. Опять же возьмем одноцилиндровый двигатель мотоцикла, но на этот раз «Honda CB 125E».

У этого мотора тоже цилиндр расположен над картером и имеет воздушное охлаждение.

Внутри цилиндра установлен поршень, связанный с коленвалом посредством шатуна. Сверху цилиндр закрыт головкой.

Конструктивной особенностью этого двигателя является наличие механизма, который обеспечивает подачу смеси и отвод продуктов горения – газораспределительный механизм.

Установлен у этого мотора он в головке блока. Суть работы этого механизма – своевременное открытие впускного и выпускного окон, которые закрыты клапанами.

Работает все по такому принципу. Вначале – такт впуска. Чтобы обеспечить этот такт, поршень должен двигаться от ВМТ вниз. При этом клапан открывает впускное окно, через которое разрежением засасывается топливо в цилиндр.

• После достижения НМТ впускное окно клапаном закрывается, поршень в это время начинает двигаться вверх, начинается такт сжатия.
• При этом такте оба окна закрыты, цилиндр полностью герметичен, а поршень при движении вверх сжимает горючую смесь, поступившую ранее.
• При подходе поршня к ВМТ, когда смесь по максимуму сжата, производится ее воспламенение от искры свечи.
• Избыточное давление при сгорании заставляет двигаться поршню вниз – происходит рабочий ход, при котором окна тоже остаются закрытыми.
• После достижения НМТ, поршень начинает движение вверх, в этот момент клапан открывает выпускное окно и поршень выталкивает через него продукты горения.

В результате получается, что для выполнения тактов впуска и сжатия нужен один оборот колен. вала, а для рабочего хода и выпуска – еще один оборот.

1. Это были принципы работ 2-тактного и 4-тактного двигателей на примере мотоциклов.
2. Эти принципы используются на всех двигателях внутреннего сгорания – от моторчика авиамодели до мощного 12-цилиндрового мотора танка.

Конструктивные особенности

Помимо различий в принципе работы у этих моторов еще и существуют конструктивные особенности.

2-тактный двигатель конструктивно проще. Механизм газораспределения – это дополнительное оснащение мотора, которое усложняет конструкцию.

У 2-тактного мотора этот механизм отсутствует и его роль выполняет поршень, открывая и закрывая те или иные окна.

Помимо этого, данный двигатель не нуждается в системе смазки. Обусловлено это тем, что в процессе работы задействовано и подпоршневое пространство, где располагается колен. вал.

• Но поскольку кривошипно-шатунный механизм требует смазки, то у этого двигателя она производится вместе с топливом, то есть моторное масло добавляет в топливо, и при поступлении топлива в это пространство, имеющееся масло смазывает механизм.
• У 4-тактных двигателей конструкция включает и механизм газораспределения, и отдельную систему смазки.
• Это значительно усложняет конструкцию, однако эти двигателя являются более приоритетными, чем двухтактные из-за ряда эксплуатационных недостатков последних.

Эксплуатационные показатели

Теперь об эксплуатационных показателях.

Литровая мощность.

Во многом 2-тактные двигатели по этим показателям лучше. Сказывается затраченная и полученная энергия на осуществление одного рабочего цикла.

У 2-тактного двигателя каждый оборот – это один полный цикл, что обеспечивает больший показатель литровой мощности – отношению объема цилиндра к выходной мощности. В среднем литровая мощность 2-тактного мотора выше, чем у 4-тактного в 1,5 раза.

1. Удельная мощность.
2. Еще один показатель, по которому 2-тактный мотор превосходит 4-тактный – это удельная мощность.
3. Данный показатель характеризует отношение выходной мощности к общей массе двигателя.
4. Проигрывая в мощностных показателях, 4-тактный двигатель лучше по показателям расхода топлива.
5. У него подача смеси происходит дозировано, через впускное окно, при этом выпускное – закрыто.
6. У 2-тактного же мотора существует момент, когда выпускное и перепускное окна оказываются открытыми, при этом поступающее топливо частично выходит через выпускное окно вместе с продуктами горения, то есть, часть топлива не участвует в процессе, а просто вылетает в атмосферу.
7. Смазка двигателя.
8. У 4-тактного мотора имеется система смазки, обеспечивающей смазку всех узлов, но при этом масло циркулирует по закрытой системе, потери его незначительны и в основном из-за износа двигателя.
9. Смазка 2-тактного мотора производится вместе с топливом, а значит, выполнив свою функцию масло попадает в цилиндр, где и сгорает.
10. Надежность моторов.
11. По поводу надежности конструкции этих моторов, то здесь довольно интересная ситуация.

Конструктивно 2-тактный мотор проще, а значит и надежнее. Но у 4-тактного мотора есть более совершенная система смазки, которая обеспечивает больший ресурс мотору.

Вот и получается, что оба мотора надежны, но каждый по-своему. А вот по ремонтопригодности 2-тактный мотор все-таки лучше.

Та же совместная смазка вместе с топливом у 2-тактных двигателей сказывается и на экологичности этого мотора. Сгорание масла в большей степени обеспечивает загрязнение атмосферы.

• Совмещение рабочих тактов у 2-тактного двигателя сказывается на шумности работы установки, она несколько выше, чем у 4-тактного агрегата.
• Зато отсутствие дополнительных систем и механизмов обеспечивает более легкую и менее металлоемкую конструкцию, что сказывается на общей массе установки.
• Более сложная конструкция 4-тактной установки играет и положительную роль.
• У этих моторов существует возможность модернизации системы питания, применение инжекторных систем с раздельной подачей топлива и воздуха в цилиндры, повышающих мощность и экономичность двигателей.

У 2-тактных моторов возможность совершенствования ограничена все той же смазкой вместе с топливом. Хотя попытки улучшить показатели этих моторов осуществляются постоянно.

Также читайте по каким причинам и на каких двигателях гнет клапана.

Итог

В целом, применение до сих пор имеют оба этих мотора и вряд ли когда-либо откажутся от использования одного из них, оскольку у каждого из них имеются свои преимущества, востребованные в тех или иных условиях.

Типы и параметры ДВС

Автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают множеством показателей – мощность, крутящий момент, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных параметров.

Типы двигателей

Двигатель — устройство, преобразующее энергию сгорания топлива в механическую работу. Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов:

• впуск воздуха или его смеси с топливом;
• сжатие рабочей смеси,
• рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
• выпуск отработавших газов.

Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели — бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:

• в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
• в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
• двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.

Дизели — двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см.

ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см.

ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе — “тяговиты на низах”).

Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:

• большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
• большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
• меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты — медленнее набирают обороты.

Роторно-поршневой двигатель (Ванкеля) — в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории.

Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью — быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания.

Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание.

Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей.

Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель.

Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.

Компоновка поршневых двигателей

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

Рядный двигатель
V-образный двигатель

Рядный двигатель (рис. 1, а) — компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.

V-образный двигатель (рис. 1, б) — цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.

Оппозитный двигатель
VR-двигатель

Оппозитный двигатель (рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.

VR-двигатель (рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.

W-двигатель
W-двигатель

W-двигатель имеет два варианта компоновки — три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 1, д) или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

Конструктивные параметры двигателей

Любой двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами (рис. 2), практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля.

Конструктивные параметры двигателей

Объем камеры сгорания — объем полости цилиндра и углубления в головке над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке — крайнем положении на наибольшем удалении от коленвала.

Рабочий объем цилиндра — пространство, которое освобождает поршень при движении от верхней до нижней мертвой точки. Последняя является крайним положением поршня на наименьшем удалении от коленвала.

Полный объем цилиндра — равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.

Рабочий объем двигателя (литраж) складывается из рабочих объемов всех цилиндров.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Для бензиновых двигателей определяет октановое число применяемого топлива.

Показатели двигателей

Силы, действующие в цилиндре

Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.

Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:

• рабочего объема . Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом;
• давления горящих газов в цилиндрах , которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется “стуком поршневых пальцев”) или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:

• рабочего объема , что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
• оборотов коленчатого вала , число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
• давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.

Характеристики двигателей

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т.

п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться.

Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент.

Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля.

В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4).

Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя.

Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания. Рабочие процессы

Работа большинства современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как карбюраторных, так и дизельных основана на способе, включающем впуск свежего заряда рабочего тела в рабочие камеры циклически изменяющегося объема, сжатие, воспламенение и сгорание рабочей смеси, последующее расширение рабочего тела и выпуск отработавших газов (ОГ) из рабочих камер.

Данный способ реализуется в четырехтактных поршневых ДВС, а также практически во всех известных роторных двигателях.

Рисунок 1.

Индикаторная диаграмма осуществления рабочих процессов описанным способом показана на Рисунке 1, где обозначено:

V	–	текущий объем рабочей камеры;
p	–	давление в рабочей камере;
po	–	давление на входе в рабочую камеру;
r	–	точка начала впуска свежего заряда рабочего тела в рабочую камеру;
a	–	точка окончания впуска свежего заряда;
f	–	точка воспламенения рабочего тела;
c	–	точка окончания сжатия;
z	–	точка достижения максимального давления;
b	–	точка начала выпуска отработавших газов.

• Основными показателями эффективности осуществления рабочих процессов в ДВС являются среднее индикаторное давление (pi) и индикаторный КПД (ηi) /1/.
• Среднее индикаторное давление определяет мощность, которую может развить ДВС на том или ином режиме работы (при постоянной угловой скорости вращения вала двигателя), а индикаторный КПД – его экономичность.
• Указанные показатели зависят от большого количества различных факторов, которые условно можно разделить на основные и второстепенные.
• К группе основных факторов целесообразно отнести те, изменения которых оказывают непосредственное влияние на изменения pi и ηi.
• К ним можно отнести следующие:

• степень сжатия рабочего тела;
• состав рабочей смеси;
• степень наполнения рабочего объема свежим зарядом;
• момент воспламенения рабочей смеси, скорость и длительность ее сгорания;
• давление и температура свежего заряда рабочего тела в момент его впуска в рабочие камеры;
• степень потерь теплоты в охлаждающую среду через стенки рабочих камер.

1. Все остальные факторы относятся к второстепенным, поскольку влияют на изменения pi и ηi не непосредственно, а через изменения основных.
2. Использование влияния основных факторов на индикаторные показатели ДВС лежит в основе большинства известных способов выбора их конструктивных характеристик и регулирования на различных режимах работы.
3. Наиболее благоприятно на индикаторные показатели ДВС (pi и ηi) влияет увеличение степени сжатия рабочего тела (ε), так как при этом одновременно увеличиваются как среднее индикаторное давление, так и индикаторный КПД.

Однако возможности увеличения степени сжатия в современных ДВС ограничены.

Это связано с тем, что в двигателях с искровым зажиганием при больших степенях сжатия происходит преждевременное самовоспламенение рабочей смеси, и возникают детонационные явления, которые состоят в нарушении процесса горения и распространении ударных волн, что крайне отрицательно сказывается на работе двигателя.

Вследствие отмеченного, степень сжатия в ДВС с искровым зажиганием не может превышать (6-10) единиц. Важнейшим преимуществом дизельных ДВС по сравнению с двигателями с искровым зажиганием является возможность увеличения в них степени сжатия рабочего тела (воздуха) до значительно больших значений – до (14-23) единиц.

Однако дальнейшее ее увеличение малоэффективно, так как уже не дает заметного повышения pi и ηi и приводит лишь к недопустимому росту тепловых и механических нагрузок на детали двигателя, повышению потерь теплоты в охлаждающую среду, ухудшению условий смесеобразования и т.д.

Состав смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха (α) и оказывает весьма существенное влияние на индикаторные показатели ДВС. Зависимости pi(α) и ηi(α) при этом имеют максимальные значения, которые достигаются при разных составах рабочей смеси (разных значениях α).

У дизелей максимум pi имеет место при слабо обедненной смеси (α ≈ 1), а максимум ηi – при сильно обедненной смеси (при α от 3 до 5). У двигателей с искровым зажиганием максимум pi достигается при обогащенной смеси (при α от 0,7 до 0,9), а максимум ηi – при α от 1,3 до 1,5 /1/.

Изменение состава смеси является основным способом регулирования мощности дизельных ДВС на различных режимах работы и осуществляется изменением подачи топлива через форсунки.

При уменьшении подачи топлива коэффициент избытка воздуха (α) увеличивается, а мощность ДВС уменьшается. С увеличением подачи топлива коэффициент α уменьшается, а мощность ДВС увеличивается.

Максимальный индикаторный КПД при этом достигается при малых нагрузках, а при нагрузках, близких к максимальным, индикаторный КПД дизельных ДВС существенно меньше максимального.

Регулирование состава смеси применяется также и в двигателях с искровым зажиганием и осуществляется специальными дозирующими устройствами.

Целью такого регулирования является автоматическое изменение α в соответствии с наивыгоднейшей характеристикой, которая предусматривает увеличение α (обеднение смеси) при частичных нагрузках и его уменьшение (обогащение смеси) на режимах максимальных нагрузок.

При таком регулировании максимальный индикаторный КПД ДВС с искровым зажиганием, также как и у дизелей, достигается при малых нагрузках, а при максимальных нагрузках их индикаторный КПД существенно меньше максимального.

Степень наполнения рабочего объема ДВС свежим зарядом количественно оценивается коэффициентом наполнения (0 < ηv < 1) и оказывает сильное влияние, в основном, на среднее индикаторное давление, которое быстро уменьшается с уменьшением ηv.

Индикаторный КПД с изменением ηv изменяется очень мало и остается практически постоянным. Изменение степени наполнения рабочего объема свежим зарядом посредством открытия и закрытия дроссельной заслонки является основным способом регулирования мощности ДВС с искровым зажиганием на различных режимах работы.

На режимах максимальной мощности дроссельная заслонка полностью открыта (ηv = ηvmax), а для уменьшения мощности ДВС при уменьшении нагрузки дроссельную заслонку прикрывают (уменьшают ηv).

С учетом упомянутого выше регулирования состава смеси максимальный индикаторный КПД двигателей с искровым зажиганием также, как и у дизелей, достигается при малых нагрузках, а при увеличении нагрузки индикаторный КПД уменьшается.

• В дизельных ДВС степень наполнения рабочего объема воздухом не регулируется и остается практически постоянной.
• Момент воспламенения рабочей смеси определяется углом опережения воспламенения (θвоспл) относительно верхней мертвой точки (ВМТ) и весьма сильно влияет на индикаторные показатели ДВС.
• При увеличении θвоспл увеличиваются:

• отрицательная работа сжатия;
• отрицательное влияние на ηi увеличения теплоемкости рабочего тела от температуры в связи с возрастанием максимальной температуры цикла;
• потери теплоты в среду охлаждения вследствие увеличения температурного напора и интенсивности теплоотдачи;
• степень расширения рабочего тела вследствие завершения горения топлива и тепловыделения ближе в ВМТ.

Первые три фактора способствуют уменьшению pi и ηi, а четвертый – их увеличению. Противоположное влияние указанных факторов определяет существование оптимальных значений угла опережения воспламенения, при которых pi и ηi имеют максимальные значения.

Каждому режиму работы двигателя соответствует свой оптимальный угол опережения воспламенения, на чем основаны способы управления работой ДВС посредством изменения моментов подачи управляющих воздействий на свечи зажигания в двигателях с искровым зажиганием и на форсунки для впрыска топлива в дизельных ДВС.

Скорость и длительность сгорания рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием какого-либо существенного влияния на их индикаторные показатели не оказывают, так как сгорание заранее подготовленной смеси в них происходит практически мгновенно и при практически неизменном объеме рабочих камер.

В отличие от карбюраторных двигателей с искровым зажиганием в дизельных ДВС впрыск топлива в рабочие камеры производится через форсунки и продолжается некоторое время уже после воспламенения рабочей смеси, вследствие чего скорость и длительность ее сгорания оказывают определенное влияние на характер тепловыделения и, соответственно, на индикаторные показатели ДВС.

Это влияние выражается в том, что тепловыделение при малоизменяющемся (постоянном) объеме рабочих камер осуществляется не полностью и завершается тогда, когда их объем изменяется уже достаточно быстро, в результате чего индикаторный КПД и среднее индикаторное давление оказываются меньше тех, которыми они могли бы быть в случае полного завершения тепловыделения при постоянном (малоизменяющемся) объеме рабочих камер.

Увеличить скорость и уменьшить длительность сгорания топлива в дизельных ДВС и добиться за счет этого повышения индикаторного КПД и среднего индикаторного давления возможно при использовании различных способов улучшения характеристик впрыскивания и распыливания топлива, однако оно очень незначительно.

Увеличение давления свежего заряда рабочего тела в момент его впуска в рабочие камеры (pк) является одним из основных способов повышения среднего индикаторного давления ДВС и их мощностных характеристик, которые увеличиваются пропорционально степени повышения pк, и осуществляется путем наддува.

Поскольку при наддуве существенно возрастают максимальные значения давления (pz) и температуры (Тz) рабочего тела в рабочих камерах, то его применение возможно, в основном, в дизельных ДВС. Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием в связи с опасностью возникновения детонации при увеличении pz и Тz весьма проблематично и требует принятия специальных мер по ее предотвращению.

Различают механический, газотурбинный, комбинированный и динамический наддувы.

Механический наддув осуществляется компрессором, привод которого соединен с валом двигателя. Существенным недостатком такой системы является снижение КПД двигателя, обусловленное необходимостью отбора части его мощности на привод компрессора.

При газотурбинном наддуве в качестве привода компрессора применяется газовая турбина, использующая энергию отработавших газов (ОГ), которые объединяются в единый агрегат (турбокомпрессор), что позволяет избежать отбора мощности с вала двигателя на привод компрессора и снижения КПД двигателя. Недостатками такой системы наддува являются ухудшение тяговых характеристик и приемистости двигателя, что обусловлено отсутствием механической связи агрегатов наддува с валом двигателя, инерционностью роторов турбокомпрессора и уменьшением энергии ОГ при малых нагрузках.

Для устранения этих недостатков используются системы комбинированного наддува, которые представляют собой определенные комбинации механического и газотурбинного наддува.

Для повышения плотности свежего заряда рабочего тела, подаваемого в рабочие камеры ДВС, могут использоваться также колебательные явления в системах газообмена, при которых перед впускными и выпускными клапанами периодически возникают волны сжатия и разрежения, обусловленные циклическим характером следования процессов газообмена.

Путем создания волны сжатия перед закрытием впускного клапана или волны разрежения при открытом выпускном клапане можно добиться весьма существенного увеличения массы свежего заряда, поступающего в рабочие камеры ДВС. Такой способ может быть осуществлен путем соответствующего выбора геометрических параметров системы газообмена и получил название динамического наддува.

При увеличении давления наддува (pк) одновременно возрастает и температура наддувочного воздуха (Тк), вследствие чего возрастают средние и максимальные температуры цикла, приводящие к увеличению теплоемкости рабочего тела и связанному с этим уменьшению индикаторного КПД, резкому возрастанию тепловых нагрузок на детали двигателя.

С целью снижения отрицательного влияния наддува на температуры цикла применяют охлаждение наддувочного воздуха (ОНВ), что позволяет снизить тепловые нагрузки на детали двигателя и предотвратить уменьшение индикаторного КПД цикла.

Потери теплоты в охлаждающую среду через стенки рабочих камер являются одним из основных видов потерь и оказывают существенное влияние как на индикаторный КПД, так и на среднее индикаторное давление.

С их увеличением ηi и pi уменьшаются, а с уменьшением – увеличиваются. Эффективных способов их снижения до сих пор не разработано.

Частичное уменьшение упомянутых потерь может быть достигнуто за счет применения для изготовления стенок рабочих камер и поршней материалов с малой теплопроводностью.

Однако, несмотря на многообразие приведенных выше возможностей для воздействия на характер осуществления рабочих процессов в современных четырехтактных ДВС описанным в начале раздела способом, повысить их максимальный КПД за счет использования указанных возможностей для оптимального выбора их конструктивных характеристик и параметров регулирования режимов работы больше, чем до (30-40)% у двигателей с искровым зажиганием и до (40-50)% у дизельных двигателей практически невозможно /1/.

Среднее индикаторное давление ДВС на номинальном режиме их работы при этом может составлять от 0,9 до 1,2 МПа у двигателей с искровым зажиганием и от 0,75 до 1,05 МПа у дизельных двигателей /1/.

Проведенный анализ показывает, что при осуществлении рабочих процессов в четырехтактных ДВС упомянутым выше традиционным способом, независимо от степени сжатия, состава рабочей смеси, характеристик воспламенения, сгорания и прочих параметров выпуск ОГ в них из рабочих камер в конце такта расширения происходит при высоком остаточном давлении, которое может составлять от 0,35 до 0,5 МПа у двигателей с искровым зажиганием и от 0,2 до 0,4 МПа у дизельных двигателей, что говорит о недостаточно полном использовании энергии продуктов сгорания топлива в процессе их расширения в рабочих камерах. Высокое давление при выпуске ОГ является также основным источником шума, создаваемого двигателем, поскольку он происходит при сверхзвуковой скорости. Добиться снижения давления ОГ при их выпуске из рабочих камер в рамках традиционного способа осуществления рабочих процессов в ДВС не представляется возможным.

Более полного использования энергии продуктов сгорания топлива в ДВС можно достичь разными путями.

Один из таких путей уже упомянут ранее и состоит в использовании энергии ОГ в газовой турбине, являющейся приводом компрессора для осуществления наддува. Однако, такой способ применим только в двигателях с наддувом и существенного прироста внешней по отношению к ДВС полезной работы не дает, поскольку энергия ОГ в этом случае затрачивается на обеспечение функционирования самого ДВС.

Наиболее полного использования энергии продуктов сгорания топлива непосредственно в рабочих камерах можно достичь в ДВС, в которых реализуются термодинамические циклы с продолженным расширением, у которых степень расширения рабочего тела больше степени его сжатия.

Осуществление таких термодинамических циклов, в частности, возможно в ДВС, в которых сжатие и расширение рабочего тела происходят в рабочих камерах разного объема.

Одним из таких ДВС является, например, двигатель, содержащий не менее одной пары цилиндров с возвратно-поступательно движущимися поршнями и головку, в которой размещен периодически сообщающийся с цилиндрами газораспределительный золотник, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с валом двигателя. Цилиндры выполнены разного объема, причем цилиндр малого объема снабжен впускными органами и используется для сжатия рабочего тела, а цилиндр большого объема – газовыпускными и используется для его расширения /3/.

1. Однако, существенным недостатком таких двигателей является необходимость использования целого ряда дополнительных устройств, которые усложняют их конструкцию, увеличивают гидравлические и механические потери.
2. Нами разработан способ осуществления рабочих процессов в ДВС, позволяющий осуществить термодинамические циклы с продолженным расширением непосредственно в рабочих камерах четырехтактных ДВС без использования каких-либо дополнительных устройств, повысить их КПД, снизить создаваемый ими шум и уменьшить выбросы теплоты в окружающее пространство.
3. Список использованных источников

1. Двигатели внутреннего сгорания. Книга 1. Теория рабочих процессов. В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др. Под ред. В.Н. Луканина. – М., Высшая школа, 1995 г.
2. Двигатели внутреннего сгорания. Книга 2. Динамика и конструирование. В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др. Под ред. В.Н. Луканина. – М., Высшая школа, 1995 г.
3. Авторское свидетельство №828780 по кл. FO2 В41/02.