Тюнингом называется доработка двигателя в целях увеличения его мощности и эффективности. Модернизация происходит за счет замены заводских деталей, установки новых механизмов и улучшения уже имеющихся систем.
Двигатели современных автомобилей с электронным блоком управления подвергаются также чип-тюнингу – корректировке программы бортового компьютера. Такой метод позволяет повысить мощность агрегата без наддува на 10 %, с наддувом – на 30-40 %.
Достичь наилучших результатов форсирования двигателя можно только в специализированных сервисных центрах, оборудованных профессиональным инструментом и качественными запчастями.
Каждый автомобиль имеет свои конструктивные нюансы, поэтому индивидуальный подход к ТС – залог его оптимальной доработки. По большому счету, в улучшении параметров нуждаются только двигатели гоночных автомобилей, в остальных случаях тюнинг не всегда целесообразен, так как требует больших затрат при спорных результатах.
Далее в статье освещены основные способы модернизации двигателя, отмечены важные моменты, которые необходимо соблюдать при проведении работ, даны общие рекомендации по тюнингу.
Электронный клапан
Данный двухтактный двигатель разработан корпорацией Grail Engine Technologies. Он выполнен из простых деталей, изготовленных методом отливки.
- изготовлен в соответствии с экологическими стандартами;
- потребляя от трех до четырех литров на «сотню» выдает 200 л.с.;
- возможна установка на гибридные автомобили.
Устройство поршневого двигателя автомобиля
Наиболее простой двигатель внутреннего сгорания имеет рядное расположение цилиндров. В современных моторах их от 3 до 6. Более компактный автомобильный двигатель имеет V-образную форму, то есть поршни расположены под углом напротив друг друга.
Цилиндров у V-образного двигателя может быть 4, 6, 8, 10 и 12. Также существуют рядно разнесенные моторы VR и W, их конструкция сложна, поэтому устройство мотора лучше изучить на рядной «четверке».
Основа двигателя – блок цилиндров. В этих цилиндрах двигаются поршни. Внизу блока крепится коленвал на подшипниках трения (вкладышах), к нему присоединен шатун, а к шатуну – поршень.
Такой узел называется кривошипно-шатунным. Поскольку коленчатый вал имеет, соответственно названию, форму колена, без шатуна невозможно было бы обеспечить возвратно-поступательные движения поршня.
Конструкция шатуна выполнена так, что его нижняя часть делает колебательные движения, а верхняя часть, соединенная с поршнем, не движется в боковом направлении.
Поршень двигателя имеет три кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. О предназначении колец говорит само название: компрессионные обеспечивают давление в цилиндре, не допустив прорыва газов в картер, а маслосъемные кольца снимают масло со стенок цилиндра и сбрасывают его в масляный картер.
К коленчатому валу с передней стороны соединен шкив для обеспечения работы навесного оборудования через ремень, а также работы ГРМ, если тип привода ременной. Если ГРМ цепного типа, то на коленвале установлена звезда. Дополнительная звезда на коленчатом валу может быть установлена, если привод маслонасоса цепной.
С задней стороны к коленвалу устанавливается маховик. Маховик аккумулирует механическую энергию, и через трансмиссию передает ее на ведущие колеса. На маховике установлены зубцы для соединения со стартером.
Сверху цилиндры герметично накрыты головкой блока цилиндров, между которыми установлена металлическая прокладка. Камера сгорания находится как раз в ГБЦ, и может быть сферической или полусферической формы, а в дизельных моторах камера сгорания находится в выемке поршня.
В конструкции классической ГБЦ есть:
- распределительный вал (один или два),
- клапана впускные и выпускные, приводящиеся в движение от кулачка распредвала.
Читать еще: 405 инжекторный двигатель характеристики
За возврат клапана в исходное место отвечает пружина, которая накрывается тарелкой, и фиксируется «сухарями».
Привод ГРМ, чаще всего цепной или ременной. Для цепного привода требуются пластиковые успокоители и натяжитель механического или гидравлического типа. Ременной привод ГРМ простой конструкции включает в себя ремень, обводной ролик и натяжитель.
Инновационные автомобильные моторы
1. Skyactiv-G
Новая разработка от Mazda состоит в снижении температуры цикла для увеличения уровня сжатия бензинового мотора. С этой целью инженеры компании изменили выпускную систему, использовав схему 4-2-1, при которой выхлопные газы поочередно направляются в воздух. Таким образом, за счет снижения попадающих в цилиндры газов улучшается их продувка и снижается температура горючей смеси.
Объем отработанных газов снижается ровно вполовину, тем самым повышая степень сжатия на 3 единицы. Одновременно система корректировки фаз на впускном и выпускном распредвалах улучшает газообмен, а цилиндры небольшого диаметра и увеличенный ход поршня способствуют более слабому нагреву камер сгорания.
Вся проделанная работа позволила повысить крутящий момент на низких оборотах, а уменьшение объема вредных выбросов и экономия топлива получена путем того, что модернизированный двигатель имеет сниженные на 15% обороты по сравнению с традиционными моторами.
В результате те водители, которые не готовы отказаться от классических ДВС, получают атмосферный 2-литровый двигатель, превосходящий экономичностью 1,4-литровый турбированный мотор.
2. Skyactiv-D
Поработали японские специалисты и над дизельным мотором, считая, что турбированные двигатели обладают слишком высоким давлением и температурой, мешающей топливу равномерно перемешаться с воздухом.
Такой механизм дает быстро осуществлять впрыск и воспламенение, повышая КПД двигателя, а заодно расширяет рабочий диапазон до 5200 об/мин.
Двигатель оснастили двумя последовательными турбокомпрессорами, выдающими 1,4 атм, а эффективный запуск даже при низких температурах обеспечивает система изменения фаз газораспределения. В процессе такта впуска выпускные клапаны открываются, направляя часть отработанных газов обратно в цилиндр и нагревая смесь.
Вес нового двигателя снизился на 10%, тогда как крутящий момент и экономичность лишь немного уступают предыдущему «хиту» Mazda MZR-CD 2.2.
3. Формула идеального мотора
Немецкие инженеры изучили такие параметры, как коэффициент полезного действия, тепловой баланс и механические потери, и вывели формулу идеального рабочего объема цилиндра, который равен 0,5 литра.
При этом правильная камера сгорания должна иметь в центре форсунку непосредственного впрыска, а также 4 клапана и свечу.
Двигатель с таким устройством будет гораздо проще конструировать – словно «из кубиков», по высказыванию специалистов BMW.
В 3-цилиндровом исполнении двигатель будет обладать одной турбиной, в 4-цилиндровом – двухпоточной, а в 6-цилиндровом – битурбированной. Едиными будут цепной привод распредвалов, газораспределительная система и ходы клапанов.
Кроме того, для одинаковых по объему турбированных бензиновых и дизельных двигателей допустимо будет применять одни и те же детали и агрегаты. То есть, автопроизводителю будет проще контролировать объемы производства в зависимости от потребительского спроса и изготавливать на единой производственной линии порядка четырех моделей одновременно.
4. Сколковские инновации
Не отстают от немецких коллег и ученые отечественного центра «Сколково», которые также сумели существенно повысить КПД двигателей внутреннего сгорания.
Все автопроизводители годами работают над тем, чтобы улучшить достаточно невысокий КПД классических двигателей. Они изменяют тягу, оснащают современными технологиями, становятся экономичными и экологичными. Теперь и российские инженеры разработали революционную технологию, достойную внедрения во всем мире.
Читать еще: 4216 двигатель почему глохнет
Проект «Мотор» в данный момент не имеет мировых аналогов и позволяет более чем на 30% снизить потребление даже у наиболее экономичных двигателей.
Инженеры заменили кривошипно-шатунный механизм на уникальную запатентованную кинематическую схему по отбору мощности. Специальное устройство будет «гасить» инерционные силы, совершенствуя показатели любого ДВС, в том числе улучшает крутящий момент, вдвойне снижает частоту вращения, упрощает трансмиссионный узел.
Подобная тестовая схема показала отличные результаты и функциональность, поэтому не за горами новые, высокопроизводительные двигатели российского производства.
5. Скандинавские свободные клапаны
Дочерняя фирма шведского производителя Koenigseggпод названием FreeValve проводит интересные изыскания в области усовершенствования распредвала двигателя. Подход специалистов компании состоит в том, чтобы заменить привязку к конкретной, статической формуле гибкостью в ходе работы двигателя.
Гениальность скандинавской разработки заключается в отсутствии кардинальных изменений в конструкции силового агрегата при увеличении его мощности на 30% , экологичности – на 50 %, экономичности – на 20-50%.
Специалисты отметили, что двигателю не нужны распределительные валы, так как новые клапаны будут способны функционировать каждый по отдельности, не соединенные жестко с «соседями». Так и родилось название новой разработки — «свободные клапаны» или FreeValve.
Классический распредвал в силу конструктивных особенностей далеко не идеален, вызывая определенные проблемы: повышенный расход топлива от увеличения мощности или сниженный крутящий момент на высоких оборотах для улучшения пиковой мощности. Тогда как FreeValve заменил его клапанами, приводимыми в действие отдельным приводом, контролируемым электроникой.
Шведская технология делает двигатель максимально эффективным при разных режимах работы и на разных оборотах без риска провалов в процессе холостого хода, слабой динамики или усиленного расхода топлива.
Лишенная распредвала система затрачивает на 10% меньше энергии, которая обычно тратится на работу привода «головных» систем, преодоления трения. На выходе такой двигатель получается дешевле аналогичного дизельного агрегата, имея более высокую эффективность, меньший расход топлива и улучшенные показатели крутящего момента.
Наконец, специалисты шведской компании предусмотрели вариант аварийной работы силового агрегата, во время которого даже при работе лишь четверти приводов клапанов водитель сможет продолжить движение и добраться до техцентра.
6. На благо экологии
В силу экологических требований Евро-7 все автопроизводители бьются над задачей разработки двигателей одновременно мощных и имеющих соответствующий уровень выбросов. Не избежала этой участи и легендарная компания Ferrari, исследователи которой уже направили в Американское Бюро по патентам и товарным знакам сразу два эскиза новой технологии впрыска топливо-воздушной смеси.
Одна из них предполагает впрыск малой доли топлива перед свечой зажигания сразу перед ее включением, чтобы таким путем улучшить продувку камеры сгорания и повысить температуру топливо-воздушной смеси. В таком случае двигатель прогреется в разы быстрее и станет менее токсичен для окружающей среды.
Другой разработкой является дополнительная компактная камера сгорания, помещенная над центром основной камеры сгорания, отделенная от нее перегородкой и имеющая собственную свечу зажигания. Задача подобной конструкции аналогичная – снизить уровень выброса токсичных веществ и повысить топливную эффективность.
Конструкция современных двигателей мало отличается от «отцов-основателей», имея те же коленвалы, поршни, цилиндры и прочие элементы. Поэтому основные новшества касаются модернизации этих узлов, оснащении их электронным управлением, замены материалов изготовления на более лучшие и надежные.
Читать еще: Что такое форсировка синхронных двигателей
Создание же по-настоящему нового силового агрегата – процесс длительный. Поэтому при частой смене модельных рядов новые двигатели они преимущественно получают от предыдущих «собратьев».
Видео про необычные двигатели:
Выбор ДВС для вилочного погрузчика
Вилочные машины могут оборудоваться дизельным, бензиновым, газовым или электромотором, поэтому для замены необходимо знать, на каком топливе он используется:
- Если машина применяется на улице, она должна быть оснащена ДВС, поскольку такие аппараты характеризуются повышенной мощностью, но их эксплуатация в закрытых объектах и помещениях с некачественной вентиляцией не допускается. Выхлопные газы могут нанести серьезный вред здоровью человека.
- Техника, оснащенная газобензиновым мотором, проигрывает в плане мощности дизельным системам, но может применяться в закрытых условиях, на складских помещениях. Ее эксплуатация возможна круглые сутки, что недоступно для электромоторов. Погрузчики, функционирующие на газе, не нуждаются в подзарядке на протяжении смены, а стоимость горючего значительно ниже по сравнению с дизельным топливом или бензином.
- Электрокары могут передвигаться по участку или объекту без зарядки на протяжении не более чем восьми часов, это время рассчитано на одну смену. Электрические двигатели не выделяют выхлопных газов и, соответственно, вредных элементов в атмосферу. Они функционируют более тихо и характеризуются долговечностью, а в плане технического обслуживания неприхотливы и требуют менее значительных затрат.
В основном данный тип техники используется на складах, в супер- и гипермаркетах, крупных магазинах. Погрузчики предназначены для подъема, опускания и транспортировки тяжелых грузов с помощью фронтальных вил.
Высота подъема зависит от длины последних и модели вилочного оборудования.
Как правило, все погрузчики относятся к категории переднеприводных машин, но некоторые производители выпускают и полноприводные вариации, которые могут передвигаться боком.
Промышленный гусеничный трактор
Строительная техника данного типа — это машина, оснащенная дополнительным оборудованием (ковш, погрузчик и так далее). В результате из нее можно создать экскаватор, бульдозер и другую технику.
Промышленный гусеничный трактор можно использовать для создания машины под конкретные цели. При этом она будет двигаться довольно медленно. Скорость машины не превысит 30 км/ч. Однако техника обладает высокой проходимостью, потому что оснащена гусеницами.
Двигатель для гусеничного трактора подбирается с учетом условий эксплуатации и задач, которые поставлены перед техникой. Исходя из этого, выбирается мощность мотора, а также учитываются его габариты.
Синтетическое топливо
Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.
Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы.
Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв.
В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.
В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.
В чем проектируют двигатели
Несмотря на то что в автошколах немало внимания уделяется вопросам технического устройства автомобиля, полученных знаний хватает далеко не всем новичкам. Данная книга призвана восполнить этот пробел. Она поможет вам в короткие сроки разобраться в том, что представляет собой современный автомобиль, из каких узлов и агрегатов он состоит, почему при наличии определенных неисправностей машину нельзя эксплуатировать и т. д. Легкий и доступный стиль изложения и большое количество цветных иллюстраций способствуют быстрому усвоению предлагаемого материала даже теми, кто до настоящего момента никогда не имел дела с автомобилем. Книга рекомендована журналом «Автомир» и интернет-порталом www.avtotut.ru.
Оглавление
- Введение
- 1. Общее устройство автомобиля
- 2. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
- Приведённый ознакомительный фрагмент книги Устройство автомобиля для сдающих экзамены в ГИБДД и начинающих водителей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
- 2. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
- Общее устройство и работа ДВС
Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.1).
Существуют еще электромобили, но их мы рассматривать не будем.
Рис. 2.1. Внешний вид двигателя внутреннего сгорания
В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.
При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.
В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.
- ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипношатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:
- ♦ выпуска отработавших газов;
- Основные детали ДВС:
- ♦ головка блока цилиндров;
- ♦ распределительный вал с кулачками;
Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.
Рис. 2.2. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:
а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)
Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка.
В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца.
Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень.
Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).
Рис. 2.3. Поршень
Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.
Рис. 2.4. Поршень с шатуном:
1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна; 3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца
Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.5).
В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.
Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 2.3).
Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис. 2.3).
А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.
Рис. 2.5. Коленчатый вал с маховиком:
1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника
Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.
А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.
В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.
Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливо-воздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24.
Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.
Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт.
Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливо-воздушной смеси.
В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 2.6), в дизельных — от сжатия.
Рис. 2.6. Свеча зажигания
При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.
Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.
А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.
Повторим, первое действие — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливо-воздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор. Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее.
При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны.
Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.
Читать еще: Двигатель ваз 21083 карбюратор схема
При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его.
Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).
Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным.
Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот.
Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол-оборота.
После того как топливо-воздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.
Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7).
Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания.
К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °C.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Один из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.
Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне.
Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном.
Шатун передает движения поршня коленчатому валу (см. рис.).
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается.
Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз.
Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт — выпуск (выхлоп).
Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.
Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов.
Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных.
Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.
Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.
Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.
Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка.
Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.
Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.
В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива.
В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается.
Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.
Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.
Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 000 кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях.
Собери самый мощный двигатель
Блок цилиндров
Это, если хотите, фундамент двигателя. Именно к этому узлу так или иначе крепятся все остальные агрегаты. Выбор блока — пожалуй, самый важный и ответственный этап: от того, сколько у вас цилиндров и какой рабочий объем, напрямую зависит стратегия дальнейшей форсировки. И не забывайте, что ваш «бюджет» ограничен!
Поршневая группа
А заодно и коленчатый вал. Подвижная часть кривошипно-шатунного механизма состоит из поршней с кольцами, коленвала, поршневых пальцев — именно благодаря этому механизму возвратно-поступательное движение переходит во вращение. Этот узел один из самых критичных с точки зрения нагрузки — учитывайте это при создании двигателя.
Головка и ГРМ
Основные детали — это распределительный вал (один или несколько), клапаны и передаточные звенья: толкатели, штанги, коромысла и т.д. От газораспределительного механизма зависит, сколько топливно-воздушной смеси поступит в цилиндры, и в какой момент это произойдет.
Распредвалы
Регулирование газораспределения зависит от формы распределительных валов. Изменяя форму профиля кулачков, можно влиять на характеристики газораспределения в широких пределах.
Система наддува
Чтобы увеличить мощность, необходимо увеличить количество топливо-воздушной смеси, которая поступает в цилиндры. И если подать в двигатель больше топлива относительно просто, то с воздухом уже сложнее. Наддув в помощь!
Выпускная система
Громкие глушители придумали не затем, чтобы стритрейсеры и мотоциклисты мешали вам спать по ночам. У таких систем меньше сопротивление потоку отработанных газов, что положительно сказывается на мощности двигателя. Но учтите, что одним только «прямотоком» мощность поднять сложно — для оптимального результата неплохо установить более производительную впускную систему и топливный насос.
Впускная система
Большой объем и качество подающегося на впуск воздуха — необходимое условие для создания мощного мотора. Впускной коллектор и воздушный фильтр должны обладать минимальным сопротивлением во всем диапазоне оборотов двигателя.
Система питания
Важно не только загнать в цилиндр побольше «горючего» — также нужно, чтобы воздушно-топливная смесь оптимально заполнила цилиндры. Существуют различные системы смесеобразования: от старого доброго карбюратора до впрыска топлива, который бывает нескольких типов: центральный, распределенный, непосредственный.
Основные этапы проектирования авиационных двигателей
Проектирование авиационных двигателей состоит из ряда последовательных работ, оговоренных стандартами. К началу проектирования предшествует выдача технического задания (ТЗ).
ТЗ выдается разработчиком летательного аппарата и направляется в организацию, где проектируется двигатель. ТЗ формируется на основании задания на создание летательного аппарата, а также на основе совместных проработок по летательному аппарату и вновь проектируемого двигателя.
ТЗ содержит основное назначение, основные технические характеристики, важнейшие технические требования и показатели качества, технико-экономические и специальные требования, связанные со спецификой применения разрабатываемого двигателя.
После проработки согласования и утверждения ТЗ является основным определяющим документом для всех стадий проектирования и для создания двигателя.
Предварительная конструктивная проработка формирования схемы двигателя состоит из вариантов различных конструктивных схем с выявлением основных преимуществ и недостатков применительно к предстоящим условиям работы двигателя, предварительных расчетов двигателя, его основных узлов и характеристик.
В этой работе задействованы многочисленные коллективы высококвалифицированных опытных теоретиков и конструкторов с привлечением соответствующих исследовательских институтов, т.к. требования и уровень сложности двигателя в настоящее время очень высоки.
Одновременно выбор схемы и принципиальной схемы двигателя ограничены самим летательным аппаратом, который предназначен для определенных целей.
Например, если требуется спроектировать двигатель для сверхзвукового многоцелевого боевого самолета, то наиболее предпочтительным будет ДТРДФ; если требуется создать двигатель для пассажирского самолета большой дальности, то выбор конструкторов остановится на ДТРД с большой степенью двухконтурности и с большой степенью повышения давления; если двигатель необходимо использовать на крылатой ракете, то в зависимости от требуемых скоростей и продолжительности полета это может быть ТРД или ДТРД, но в любом случае двигатель одноразового применения максимально упрощенной конструкции, дешевый в изготовлении.
Большое внимание при проектировании уделяется достижению высоких удельных параметров и основных технических данных, которые заметно должны превышать современный уровень.
Кроме этого, проектируемый двигатель должен полностью удовлетворять всем техническим признакам, которые связаны со спецификой конструкции двигателя, поэтому в целях оптимизации задачи проводится сравнительный анализ компоновок проектируемого двигателя с вариантами конструктивных схем основных узлов.
При проектировании не мало важную роль играет имеющийся положительный опыт создания двигателя разработчиком и летательного аппарата за качеством, т.к. различные варианты конструктивных схем двигателя могут оказаться равнозначными по основным данным (например, удельная масса двигателя и т.д.).
Наиболее современным способом проектирования новых двигателей является принцип использования единого базового газогенератора в различных ГТД.
ГТД представляет собой основной узел двигателя, состоящий из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления; это наиболее сложный и определяющий узел двухконтурного двигателя.
Варьируя в широких пределах конструкции и основными данными вентилятора, компрессора низкого давления и турбины низкого давления можно при одном и том же газогенераторе создать семейство двигателей самого различного значения и в то же время резко сократить расходы на создание двигателей.
Подобная практика является общепризнанной в отечественном и зарубежном двигателестроении. Например, фирма General Electric, которая за 15 лет спроектировала 36 видов различных двигателей с использованием одного газогенератора.
Очевидно, что проектирование современных двигателей должно основываться на реальных решениях и целях и в основе их должен использоваться имеющийся научно-технический задел по созданию и обработке определенных деталей и узлов двигателя.
- Процесс проектирования двигателя включает следующие стадии:
- 1) техническое предложение (ТП) — совокупность конструкторских документов, содержащие технические и технико-экономические обоснования целесообразности создания нового двигателя на основании анализа ТЗ, предварительных расчетов и конструкторских проработок;
- 2) эскизный проект — полная разработка конструкции двигателя со всеми основными узлами и деталями. Более подробные расчеты оптимизации вариантов конструкции изготовления макетов, рассмотрение и утверждение эскизного проекта;
3) технический проект — это совокупность конструкторских документов, представляющих собой окончательные технические решения, являющиеся исходными данными для разработки и выпуска рабочей документации;
разработка рабочей документации — это заключительная стадия проектирования проводится с учетом конкретной технологии изготовления и испытания двигателя и всех его узлов.
В состав рабочей документации входят все чертежи, расчеты и методики, технические условия на изготовление и испытание схемы и чертежей общих видов.
Для отработки конфигурации двигателя и окончательной укладки коммуникаций, изготавливается полноразмерный макет двигателя, который затем устанавливается на макет летательного аппарата и согласовывается с его размерами.
Каждая стадия проектирования считается завершенной после ее утверждения и проведения необходимых согласований. Фактор времени в двигателестроении имеет большое значение, т.к. новые образцы быстро морально устаревают.
На практике существуют разработанные системы графиков параллельно-последовательного проведения работ. Такие работы требуют большого внимания исполнителей, но, с другой стороны, они способствуют большой глубине и качеству проработки проекта на разных стадиях.
На стадиях разработки эскизного и технического проекта принимает участие большой коллектив конструкторов, технологов, металлургов и других специалистов.
При этом принимают участие отраслевые институты, которые оценивают уровень основных параметров двигателя, возможности достижения их, надежность, расчетность запасов прочности, а также уровень технологичности изготовления и трудоемкости деталей, применение новых материалов, а также степени унификации и стандаргазации.
Создание двигателя после завершения проектирования и до начала его серийного производства также проходит ряд стадий:
1) изготовление опытной партии двигателей и выполнение плано-эксперементально-доводочных работ;
- 2) проведение испытаний двигателя и получение подтвержденных основных данных;
- 3) проведение ряда длительных стендовых испытаний по проверке прочности и надежности двигателя;
- 4) проведение специальных испытаний по отработке и проверке двигателя на соответствие предъявленным техническим требованиям;
- 5) летные испытания на летающих лабораториях и специальных высотных стендах;
- 6) проведение государственных испытаний и внедрение в серийное производство.
- В целях снижения затрат труда и времени на создание двигателя, сокращение необходимого опытных двигателей, плано-эксперементально-доводочных работ предусматривают совмещение проверочных испытаний на каждом двигателе путем параллельно-последовательного проведения выше перечисленных работ
- Работы над совершенствованием двигателя не прекращаются после начала его серийного производства и ведутся в направлении повышения надежности, улучшения технологичности и снижения трудоемкости.
Загрузка...
