Типы двигателей, применяемых на автомобилях, конструктивные особенности, перспективы развития в автомобилестроении

Факультет : Организация и безопасность движения.

Дисциплина: Автомобили

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

(Контрольная  работа, курсовой проект, курсовая  работа)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы двигателей, применяемых  на автомобилях, конструктивные особенности, перспективы развития в автомобилестроении.

 

Автомобильный двигатель — это двигатель  который преобразует энергию  какого-либо рода в механическую работу, совершаемую при движении автомобиля.

Наиболее распространённым типом автомобильного двигателя  является поршневой двигатель внутреннего сгорания. Этот двигатель может быть карбюраторным или инжекторным, питаться различным автомобильным топливом (бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной или сжатый природный газ). Но кроме этого на автомобилях могут быть установлены двигатель Стирлинга или роторно-поршневой двигатель Ванкеля, двигатели использующие энергию предварительно раскрученного маховика, энергию находящегося под высоким давлением газа, паровые двигатели, электродвигатели.

На гибридных  автомобилях силовая установка комбинированная.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Поршневой двигатель  — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся  газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом  объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень. 
Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель  внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств  наземного, воздушного и водного  транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых  двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели  авиа-, мото- и судомоделей) до 75000 кВт (судовые двигатели).

В качестве топлива  в поршневых двигателях внутреннего  сгорания используются:

• жидкости — бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;
• газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;
• монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные  и четырёхтактные двигатели. 
Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

Двигатели с  внешним смесеобразованием. Воспламенение воздушно-топливной смеси может выполняться электроискровым разрядом, вырабатываемым системой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, био и другие условно-бесплатные газы);

Двигатели с  внутренним смесеобразованием (воспламенение  от сжатия рабочего тела). Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:

• Дизельные, работающие на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5 % дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). В этих двигателях сжатию подвергается только воздух, а при достижении поршнем точки максимального сжатия в камеру сгорания впрыскиваеся топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым при сжатии до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.
• Компрессионные двигатели. В них, в отличие от дизельных, топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях). Такие двигатели требуют особого состава топлива (обычно в его основе — диэтиловый эфир) и точной регулировки степени сжатия, так как от нее зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях;
• Калильные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт сгорания топлива на предыдущем такте.Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;
• Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ).

Двигатели с  внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

В рамках технической  термодинамики работа поршневых  двигателей внутреннего сгорания в  зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами  Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД  поршневого ДВС не превышает 60%. Остальная  тепловая энергия распределяется, в  основном, между теплом выхлопных  газов и нагревом конструкции  двигателя. Поскольку последняя  доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:

• воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха;
• жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором. Иногда в жидкостных системах в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Карбюраторный двигатель — один из типов двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием.

В карбюраторном  двигателе топливно-воздушная смесь, поступающая по впускному коллектору в цилиндры двигателя, приготавливается в специальном приборе — карбюраторе. Также карбюраторные двигатели разделяются на двигатели без наддува или атмосферные, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя.

Двухтактный карбюраторный  двигатель 2СД-М1, работающий на смеси  бензина и моторного масла (25:1). Карбюратор справа

В качестве топлива  для карбюраторного двигателя в  разное время применялись спирт, керосин, лигроин, бензин. Наибольшее распространение получили бензиновые карбюраторные двигатели.

Система управления двигателем  — система подачи топлива, устанавливаемая на современных бензиновых двигателях. Основное отличие от карбюраторной системы — подача топлива осуществляется непосредственно в цилиндр, путем впрыска топлива с помощью форсунок. Автомобили с данной системой питания часто называют инжекторными.

В инжекторной  системе подачи впрыск топлива в  воздушный поток осуществляется специальными форсунками — инжекторами     Классификация

По точке  установки и количеству форсунок:

• Моновпрыск или центральный впрыск — одна форсунка на все цилиндры, расположенная, как правило, на месте карбюратора (на впускномколлекторе). В настоящее время непопулярна.
• Распределённый впрыск — каждый цилиндр обслуживается отдельной изолированной форсункой во впускном коллекторе. В то же время различают несколько типов распределённого впрыска:
• Одновременный — все форсунки открываются одновременно.
• Попарно-параллельный — форсунки открываются парами, причём одна форсунка открывается непосредственно перед циклом впуска, а вторая перед тактом выпуска. В связи с тем, что за попадание топливо-воздушной смеси в цилиндры отвечают клапаны, это не оказывает сильного влияния. В современных моторах используется фазированный впрыск, попарно-параллельный используется только в момент запуска двигателя и в аварийном режиме при поломке Датчика Положения Распределительного Вала ДПРВ (так называемой Фазы).
• Фазированный впрыск — каждая форсунка управляется отдельно, и открывается непосредственно перед тактом впуска.
• Прямой впрыск — форсунки расположены непосредственно возле цилиндров и впрыск топлива происходит прямо в камеру сгорания.

Управление  системой подачи топлива:

В настоящее  время системами подачи топлива  управляют специальные микроконтроллеры, этот вид управления называется электронным. Принцип работы такой системы  основан на том, что решение о моменте и длительности открытия форсунок принимает микроконтроллер, основываясь на данных, поступающих от датчиков.

В прошлом, на ранних моделях системы подачи топлива, в роли контроллера выступали  специальные механические устройства.

Принцип работы:

В контроллер, при  работе системы, поступает, со специальных  датчиков, следующая информация:

• о положении и частоте вращения коленчатого вала,
• о массовом расходе воздуха двигателем,
• о температуре охлаждающей жидкости,
• о положении дроссельной заслонки,
• о содержании кислорода в отработавших газах (в системе с обратной связью),
• о наличии детонации в двигателе,
• о напряжении в бортовой сети автомобиля,
• о скорости автомобиля,
• о положении распределительного вала (в системе с последовательным распределенным впрыском топлива),
• о запросе на включение кондиционера (если он установлен на автомобиле)

На основе полученной информации контроллер управляет следующими системами и приборами:

• топливоподачей (форсунками и электробензонасосом),
• системой зажигания,
• регулятором холостого хода,
• адсорбером системы улавливания паров бензина (если эта система есть на автомобиле),
• вентилятором системы охлаждения двигателя,
• муфтой компрессора кондиционера (если он есть на автомобиле),
• системой диагностики.

Изменение параметров электронного впрыска может происходить буквально «на лету», так как управление осуществляется программно, и может учитывать большое число программных функций и данных с датчиков. Также, современные системы электронного впрыска способны адаптировать программу работы под конкретный экземпляр мотора, под стиль вождения и многие другие характеристики и спецификации.

Ранее использовалась механическая система управления впрыском.

Основные параметры  двигателя

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

• Верхняя мёртвая точка (в. м. т.) — крайнее верхнее положение поршня.
• Нижняя мёртвая точка (н. м. т.) — крайнее нижнее положение поршня.
• Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки
• Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
• Такт — часть рабочего цикла, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.
• Объём камеры сгорания — объём пространства над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке.
• Рабочий объём цилиндра — объём, освобождаемый поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
• Полный объем цилиндра — объём пространства над поршнем при нахождении его в нижней мёртвой точке. Полный объём цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сгорания.
• Литраж двигателя для многоцилиндровых двигателей — это произведение рабочего объёма на число цилиндров.
• Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.