Дизельный двигатель
Система подачи топлива в этих ДВС сходна с распределенным впрыском на инжекторах, только с поправкой на большую, по сравнению с бензиновыми движками, степень сжатия. Ее характеристики для бензинового, в среднем, составляют от 7 до 10 единиц, для дизеля – от 11 до 20 (26 у супертурбо) единиц. Давления порядка 40–50 бар — хватает на то, чтобы разогреть воздух в камере сгорания до 800–900 оС, поэтому впрыскиваемое в этот момент топливо сгорает, даже если оно недостаточно однородно распылено, из-за чего движки, работающие на солярке, по сравнению с другими, выдают процентов на 10–12 больший КПД, и демонстрируют до 40% экономии топлива. Естественно, для реализации таких характеристик нужен значительный запас прочности, поэтому детали ЦПГ и коленвала дизеля всегда будут массивнее, толще, тяжелее, чем у бензинового мотора внутреннего сгорания того же объема и конфигурации.
Дизельный двигатель Мерседес
Газодизельный
Это еще более экономичная (до 60% экономии топлива) версия типового мотора, потребляющего солярку. Правда не в качестве основного топлива, а в качестве инициирующей «запальной» порции, перед впрыском основной — сжиженного природного газа.
Конфигурацией агрегатов — не отличается от дизеля, применяется в тяжелой дорожной, или стационарной технике. Газодизели получаются из простого серийного мотора, путем установки специальной версии ГБО.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Со времени своего появления на свет, двигатели внутреннего сгорания очень сильно изменились. Производительность современных двигателей, по сравнению с двигателями времен зари двигателестроения, взлетела до космических высот. Естественно, выросло и разнообразие двигателей. Благодаря этому разнообразию, двигателям нашли бесчисленное количество способов применения. Все это разнообразие можно охватить с помощью классифицирования.
— По количеству цилиндров. Бывают одноцилиндровые, двухцилиндровые, трехцилиндровые и т.д. вплоть до 12 и даже более цилиндров, двигатели. Но все, что более 12 цилиндров, это уже редкость в автомобильной промышленности.
— По способу расположения цилиндров. Самые распространенные варианты, это рядные и V-образные двигатели. Рядные двигатели, это такие двигатели, в которых цилиндры расположены в одном ряду, друг за другом, располагаться они могут, относительно пространственного положения самого двигателя, как вертикально, так и горизонтально, а также под любым градусом наклона. V-образные двигатели, это такие двигатели, у которых имеется 2 ряда цилиндров и расположены они под углом 90 друг к другу, что напоминает букву V. Существуют также двигатели с оппозитным расположением цилиндров. Это когда цилиндры находятся друг напротив друга под углом 180 .
— По способу охлаждения. Бывают двигатели с воздушным охлаждением и с жидкостным. Воздушное охлаждение гораздо проще в производстве и обслуживать его не надо, но оно имеет много недостатков. Самый главный недостаток, это то, что двигатель обдувается потоком встречного или нагнетаемого вентилятором воздуха, из-за чего двигатель имеет разную температуру в разных местах, то есть охлаждается неравномерно. Разная температура приводит к неравномерному износу всего двигателя, что в конечном итоге сокращает срок службы такого двигателя. Да и перегреть такой двигатель, проще простого.
Второй на мой взгляд, очень важный недостаток воздушного охлаждения, это невозможность использовать тепло нагретой охлаждающей жидкости для обогрева салона автомобиля и невозможность подогревать двигатель в морозы, жидкостным предпусковым подогревателем.
Поэтому, жидкостное охлаждение, как говориться рулит. Не даром оно вытеснило воздушное охлаждение с автомобилей, за редким исключением (например грузовики марки «Татра»)
— По назначению. Бывают двигатели автомобильные, судовые, стационарные, бытовые (бензокоса, бензопила) и т.д.
— По способу осуществления рабочего цикла. Бывают 4 такта за один рабочий цикл, а бывает 2 такта. И называются такие двигатели соответственно, четырехтактные и двухтактные. Четырехтактных двигателей в мире превалирующее большинство. Этому есть ряд причин. Основные это экологичность, экономичность и надежность.
— По виду применяемого топлива. Бывают двигатели использующие для своей работы: бензин, дизельное топливо и сжатый или сжиженный газ. Также существуют битопливные и многотопливные двигатели, которые могут работать можно сказать на всем, что горит. Кроме того, есть и другие экзотические двигатели, работающие на не менее экзотических видах топлива, но о них в других статьях.
— По способу воспламенения рабочей смеси в цилиндрах. Бывают двигатели, в которых смесь поджигается искрой от свечи зажигания (бензиновые и газовые), а бывают двигатели в которых смесь поджигается сама по себе от сильного давления (дизельные двигатели)
— По способу наполнения цилиндров воздухом. Бывают атмосферные и наддувные двигатели. Атмосферные, это когда воздух попадает в цилиндры самотеком, то есть из-за разности давлений в цилиндре и во впускном тракте, создается эффект всасывания в цилиндр. Наддувные двигатели, это когда воздух силой вгоняется в цилиндр, с помощью турбонаддува или компрессора. Благодаря наддуву, удается наполнить цилиндр воздухом гораздо сильнее, чем это происходит в атмосферных двигателях, в результате чего значительно вырастает мощность двигателя, но снижается его ресурс.
Плюсы и минусы
ДВС, как и любой тип двигателя, имеет свои преимущества и недостатки.
К плюсам относятся следующие особенности:
1. Небольшой вес. Обычно такие устройства занимают мало места и имеют низкий вес.
2. Высокая мощность. На сегодняшний день почти все ДВС обладают высоким значением лошадиных сил. Чем «сильнее» «движок», тем дороже он стоит и больше потребляет топлива.
3. Есть возможность преодолеть большие расстояния. Эта проблема особо актуальна для тех, кто ездит в другие города ежедневно.
4. Быстрая заправка. Сегодня заправки расположены повсеместно, поэтому автолюбителям не придется бояться за пустой бак. Заправка длится не более 10 минут.
5. Простота эксплуатации. Большинство моторов, независимо от их типа, имеют схожую систему. Поэтому разобраться в работе двигателя сможет каждый водитель.
6. Доступность. Сегодня автомобилем с ДВС никого не удивишь, они эксплуатируются повсеместно. На вторичном рынке их стоимость еще дешевле, так что каждый человек может позволить себе купить такое авто.
7. Большой ресурс работы. Моторы, выпускаемые сегодня, способны функционировать ни один год подряд, а десятки лет. Возможно, кто-то скажет, что их надежность все же снижается, но это не исключает тот факт, что качество по-прежнему остается «на уровне».
Перечислив все преимущества ДВС, перейдем к недостаткам, которые, к сожалению, также встречаются у данного типа двигателя.
Минусы у ДВС следующие:
1. Высокая степень выбросов в атмосферу во время езды автомобиля. Дело в том, что топливо не до конца сгорает, и в этом заключается главная проблема. Чтобы авто двигалось, требуется всего лишь 15% горючего, а все остальное уходит в воздух. Отработанный газ содержит множество вредных и токсичных веществ, а также тяжелых металлов.
2. Требуется коробка переключения передач. Устройство обязательно, так как нужно, чтобы менялось передаточное число. Оно регулирует обороты двигателя, который перенаправляет энергию на колеса, а они вращаются либо быстро, либо медленно.
3. Регулярная замена масла. Менять масло нужно каждые 10 000 км. Это нужно обязательно делать, так как жидкость загрязняется, а мелкие частицы грязи попадают в «движок».
4. Высокая цена на топливо. Бензин и солярка с каждым годом возрастают в цене, соответственно, совсем скоро передвижение на авто с ДВС станет роскошью. Чтобы сэкономить на топливе, можно установить газовое оборудование, так как цена газа вдвое ниже остального горючего.
5. Низкий КПД. Этот параметр наглядно показывает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии. Показатель выражается в процентах. К примеру, электродвигатели имеют КПД около 95%, но в ДВС такие значения невозможны.
6. Ограниченный ресурс дешевых моторов. Изготовители, выпускающие двигатели по низкой стоимости, используют некачественные детали. Они быстро изнашиваются и «выходят из строя». Но если водитель будет использовать смазку, а также вовремя менять расходные материалы, то «движок» прослужит дольше.
Таким образом, мы выяснили, что ДВС имеет как много преимуществ, так и много недостатков. Несмотря на это, он является одним из самых эффективных устройств на сегодняшний день.
Двигатель Стирлинга
Принцип работы внешне похож на схему ДВС. В моторе Стирлинга тоже имеется цилиндр с поршнем, который двигается по возвратно-поступательной траектории и приводит в движение кривошипно-шатунный механизм. Мало того, цилиндр имеет радиатор охлаждения как в двигателе внутреннего сгорания.
Но главным отличием двигателя Стирлинга от ДВС является отсутствие топливной смеси. Её роль в данном случае выполняет воздух, который нагревается внешним источником тепла.
Дело в том, что уже находящийся в цилиндре воздух, нагреваясь, расширяется и толкает вытеснитель, который в свою очередь двигает рабочий поршень вверх. Поршень проворачивает кривошип. Проходя через зону охлаждения, воздух сжимается, давление в цилиндре уменьшается, образуя разрежение. В это время кривошип, двигаясь дальше, возвращает поршень в нижнее положение. Так периодически чередуя циклы нагрева и остывания рабочего тела (воздуха), извлекают энергию из процесса изменения давления.
Примечательно, что такой агрегат легко превратить в тепловой насос, изменив координацию работы рабочего поршня и вытеснителя.
Двигатель Стирлинга может работать практически на любом топливе, от дров до ядерной энергии. При этом конструкция этого агрегата очень проста и надёжна. Инженеры разработали 3 типа моторов подобного рода и назвали их буквами греческого алфавита. Выше описан принцип самого простого из них: бета-типа.
Двигатель конструкции Стирлинга незаменим в тех случаях, когда появляется необходимость преобразования очень маленького перепада температур. В таких условиях ни одна газовая турбина функционировать не может. Проще говоря, установки Стирлинга могут эффективно работать от обычной переносной газовой горелки или даже спиртовки. Туристы уже оценили такие устройства. Учёные предсказывают, что двигатели Стирлинга сделают революцию в солнечной энергетике.
Видео: Принцип работы двигателя Стирлинга
Развитие идеи
Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много
В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки
Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.
Четырёхтактный цикл работы современного одноцилиндрового ДВС. Такт — это один ход поршня (1), т. е. прохождение поршня от крайнего верхнего положения, верхней мёртвой точки (ВМТ), до крайнего нижнего положения, нижней мёртвой точки (НМТ).
I такт. Впуск. Поршень идёт вниз, создавая в цилиндре (2) разряжение. Открывается впускной клапан (3), и под воздействием атмосферного давления из впускного трубопровода (4) в цилиндр засасывается горючая смесь — распылённый в воздухе бензин (5).
II такт. Сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень идёт вверх, сжимая горючую смесь (6).
III такт. Рабочий ход (расширение). Между электродами свечи зажигания (7) проскакивает электрическая искра, поджигающая смесь. Газы расширяются (8), под их давлением поршень идёт вниз и передаёт усилие через кривошипно — шатунный механизм (9) на коленчатый вал (10), проворачивая его.
IV такт. Выпуск. Поршень по инерции идёт вверх. Открывается выпускной клапан (11), и под давлением поршня отработанные газы (12) вытесняются в атмосферу.
Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).
Поделиться ссылкой
Устройство карбюраторного двигателя
Общее устройство наиболее простого карбюратора заключает в себе поплавковую камеру с поплавком, жиклёр с распылителем, диффузор и дроссельную заслонку.
Если рассмотреть строение двигателя Л-12/4, то в блоке имеется четыре цилиндра. Вращение коленвала происходит на трех подшипниках. Центральный подшипник прикреплен к валу втулкой. На передней части вала прикрепляется маховик, который приводит в действие детали механизма и скапливает кинетическую энергию, она нужна для движения коленвала в период подготовительных тактов.
Смазка деталей происходит благодаря разбрызгиванию, шестеренчатый насос помогает началу движения распредвала и подает масло, которое разбрызгивается черпаками, происходит зажигание. Радиатор оснащен вентилятором, который служит для охлаждения воды.
На картере установлен сапун, который снижает давление благодаря выпуску газов.
Также имеется глушитель, который уменьшает шум от выхода отработанных газов. Количество оборотов коленчатого вала в автоматическом режиме устанавливает регулятор.
У двигателей ГАЗ-МК верхний отдел картера сделан из чугуна вместе с устройством цилиндров, которые охвачены водяной рубашкой и перекрыты головкой из чугуна, где и расположены камеры сгорания. Также имеются разъемы для свечей зажигания.
Водяная рубашка подсоединена к системе охлаждения. Низ двигателя затянут стальным поддоном, который выполняет функцию емкости для масла. Также там закреплен масляный насос, который приводит в движение распредвал.
Вращение коленчатого вала происходит также на трех подшипниках. Их вкладыши заполнены баббитом, где имеются смазочные канавки.
Чугунные крышки подшипников прикрепляются к блоку двумя болтами.
Передний сальник коленвала сделан из двух частей и представляет сердечник, который окружен платиной асбеста. Поршни сделаны из алюминия и скреплены шатуном полым стальным пальцем. Маховик прикреплен к коленвалу. Распредвал вращается на трех подшипниках и приводится в движение двумя шестернями.
Клапаны двигателя находятся справа. Система питания включает в себя бензобак, бензопроводы, отстойник, карбюратор и воздушный фильтр.
Бензобак находится выше карбюратора, поэтому топливо поступает самотеком.
Уровень масла в картере определяется специальным щупом. Охлаждение двигателя водяное. Радиатор размещен с задней стороны двигателя, водяной насос — с передней стороны. Вода, которая двигается по трубкам радиатора, остывает при помощи воздушного потока от вентилятора.
Основные параметры электродвигателя
Момент электродвигателя
Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.
,
- где M – вращающий момент, Нм,
- F – сила, Н,
- r – радиус-вектор, м
Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле
,
- где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
- nном — номинальная частота вращения, мин-1
Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.
Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)
1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)
момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)
1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)
Мощность электродвигателя
Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.
Мощность электродвигателя постоянного тока
Механическая мощность
Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.
,
- где P – мощность, Вт,
- A – работа, Дж,
- t — время, с
Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .
,
где s – расстояние, м
Для вращательного движения
,
где – угол, рад,
,
где – углавая скорость, рад/с,
Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя
Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.
Коэффициент полезного действия электродвигателя
Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.
,
- где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
- P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
- P2 — полезная мощность (), Вт
- При этом
потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.
КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.
Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.
где n — частота вращения электродвигателя, об/мин
Момент инерции ротора
Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси
,
- где J – момент инерции, кг∙м2,
- m — масса, кг
Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)
1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)
Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением
,
где – угловое ускорение, с-2
,
Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86
Номинальное напряжение
Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .
Электрическая постоянная времени
Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.
,
где – постоянная времени, с
Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.
Турбонагнетание
Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет «закачивать» под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.
На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.
Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, потому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.
Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).
