Двигатель внутреннего сгорания

Производительность двигателя Ленуара была…в тысячу раз ниже, чем производительность двигателя современного автомобиля, и это при том, что сам он был много тяжелее и массивнее. У двигателя был всего лишь один цилиндр, а давление воспламенённой смеси было невысоко, да ещё и снижалось втрое во время рабочего хода. Однако сама идея газового двигателя, безусловно, была очень перспективной. Прошло 16 лет, и это доказал немецкий изобретатель Николаус Август Отто. Он развил высказанную ещё раньше французским инженером А. Бо де Рошем идею 4-тактного цикла со сжатием и воплотил её в практику. Размышляя над принципом работы газового двигателя, Отто пришёл к выводу, что производительность станет много выше, если зажигать смесь не на середине хода поршня, как это было в двигателе Ленуара, а в его начале.

Тогда давление газов при сгорании смеси будет действовать на поршень в течение всего его хода.

Отто экспериментировал: вращая маховик вручную, он впустил смесь, затем продолжать вращать маховик и включил зажигание лишь тогда, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик немедленно начал работать. Таким образом выяснилось, что наилучший эффект достигается, если горючая смесь зажигается в тот момент, когда её объём сжат поршнем. Немецкий изобретатель совершенствовал газовый двигатель целых 15 лет, прежде чем его КПД превысил КПД паровой машины. Теперь он достигал 15%. Двигатель Отто назвали четырёхтактным, потому что процесс совершался в нём на продолжении четырёх ходов поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала. Зажигание обеспечивалось специальной запальной камерой, где постоянно горел газ - в нужный момент золотник открывал доступ в цилиндр, и горелка зажигала смесь. В современных двигателях внутреннего сгорания применяется другая система зажигания, однако сам 4-тактный цикл Отто сохранил в подавляющем большинстве современных автомобильных двигателей. Он описал даже в школьных учебниках физике, но еще раз припомнить, как он происходит, не лишне.

Во время первого такта поршень удаляется от исходной» мёртвой точки»- головки цилиндра, создавая в нём разряжение. При этом всасывается приготовленная специальным устройством-карбюратором - горючая смесь из газа и воздуха. Выпускное отверстие в этот момент закрыто. Когда поршень достигает нижней «мёртвой точки», закрывается впускное отверстие.

Во время второго такта оба отверстия закрыты, поршень, приводимый в движение шатуном, идёт вверх и сжимает смесь. Момент сжатия наиболее благоприятен для воспламенения, потому что под давлением частицы топлива максимально сближаются и загораются все сразу, создавая большое давление.

Третий такт-это рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Оба отверстия в цилиндре закрыты, и давление сгорающей смеси воздействует на поршень, движение которого через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала.

Во время четвёртого такта маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, двигая шатун, который толкает поршень. В этот момент открывается выпускное отверстие, и поршень вытесняет отработавшие газы в атмосферу.

Инерции маховика хватает на то, чтобы поршень совершил не только четвёртый такт, но и повторил первый и второй. А во время третьего такта он вновь получает импульс от сгорающей воздушной смеси, передавая его в свою очередь маховику. Впускное и выпускное отверстие открывает и закрывает специальный газораспределительный механизм. Для своевременного воспламенения смеси служит система зажигания. А чтобы запустить двигатель, надо приложить к маховику внешнюю силу, чтобы произвести первые два такта цикла.

Долгое время маховик приходилось поворачивать вручную с помощью специальной рукоятки, а теперь для этого служит специальный пусковой электродвигатель- стартер. Он автоматически отключается после первых нескольких тактов, и двигатель начинает работать самостоятельно.

Двигатель Отто позволял располагать цилиндры как угодно- вертикально, наклонно или горизонтально, поскольку сам процесс работы от этого не менялся. Однако он ещё не годился для автомобиля. Масса его была чересчур велика, да ещё для размещения запаса газа требовался огромный резервуар. Вдобавок уже при 180 оборотах вала в минуту начинались перебои в работе, и золотник быстро выходил из строя.

Тем не менее, двигатель Отто быстро вошёл в обиход в стационарных условиях, обеспечивая работу различных механизмов. А для того чтобы поставить двигатель внутреннего сгорания на колёса, надо было сделать его на много компактнее, легче и увеличить частоту вращения вала.

Заслуга дальнейшего совершенствования двигателя внутреннего сгорания во многом принадлежит немецкому изобретателю Готлибу Даймлеру, работавшему вместе с Вильгельмом Майбахом. Даймлер сумел создать конструкцию, способную работать не только на газе, но и на жидком топливе. Но справедливости ради надо сказать, что трудились над этой проблемой и многие другие изобретатели, например, соотечественник Даймлера Карл Бенц.

Мечта о новом совершенном двигателе овладела Готлибом Даймлером ещё в юности, когда он учился в Высшем политехническом училище в Штутгарте. Затем молодой инженер работал в Эльзасе и на английских машиностроительных заводах. Он внимательно следил за всеми техническими новинками. Хорошее знание английского и французского языков позволяло молодому Даймлеру читать специальную техническую литературу.

В поисках наиболее подходящего топлива для своего двигателя Даймлер остановил своё внимание на сырой нефти и продуктах её перегонки. Для того чтобы глубже постичь этот процесс, молодой инженер даже совершил в 1881 году длительную поездку в Россию.

Дело в том, что ещё в 1875 году русский химик Александр Александрович Летний впервые обнаружил, что при температуре выше 300С тяжёлые нефтяные остатки частично разлагаются на более лёгкие продукты - керосин, бензин, газы. После 1879 года по проектам А.Летнего и под его руководством в России было построено несколько заводов, где сырая нефть перегонялась через раскалённые трубы в керосин. Одним из продуктов такой перегонки был бензин. Именно он оказался тем самым топливом, какое искал для своего двигателя Даймлер, - бензин хорошо испаряется, быстро и полно сгорает, его удобно транспортировать в специальных бочках-цистернах.

В 1882 году конструкция первого двигателя Даймлера уже была окончательно разработана. Он мог работать как на газе, так и на бензине. Но все следующие конструкции даймлеровского двигателя внутреннего сгорания уже были рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Некоторые из них имели два цилиндра, некоторые один.

Как бы то ни было, в историю техники золотыми буквами вписано: в1883 году немецкий конструктор Готлиб Даймлер вместе со своим помощником Вильгельмом Майбахом создал двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Показатели его были существенно лучше, чем у газовых предшественников. Частота вращения вала достигала 900 оборотов в минуту - в пять раз больше, чем у двигателя Отто. Мощность на 1 литр рабочего объёма цилиндра была вдвое больше, да и чисто конструктивно двигатель Даймлера-Майбаха был совершеннее.

Подвижные части двигателя закрывал специальный кожух (картер), заполненный смазочным маслом. Водяная система охлаждения была дополнена радиатором с металлическими пластинами-рёбрами. Для пуска двигатель был снабжён удобной заводной рукояткой. Такой двигатель, запатентованный конструкторами, был уже полностью готов к тому, чтобы использоваться его на колёсных машинах.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

 

 

2. Устройство современного ДВС

 

Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а, следовательно, и с перемещением поршня.

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ).

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа:

 

Vа=Vс+Vh

 

Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах):

 

Vh=пД^3*S/4,

 

где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле:

 

Vр=(пД^2*S)/4*i,

 

где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия:

 

E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1

 

Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

 

3. Работа ДВС

 

Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к. давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом:

1. Такт впуска. По мере  того, как коленчатый вал двигателя  делает первый полуоборот, поршень  перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной  клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.