Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - автомобильный механизм, работа которого зависит от преобразования одного вида энергии (в частности, химической реакции от сгорания топлива) в другой вид (механическую энергию для запуска автомобиля).
В качестве достоинств двигателя внутреннего сгорания , которые определяют его широчайшее использование, отмечают: автономность, относительно невысокая стоимость, возможность использования на различных потребителях, многотопливность (двс могут работать на бензине, дизельном топливе, газе и даже на спирте и рапсовом масле). Так же к достоинствам можно отнести достаточно высокую надежность ДВС и неприхотливость в работе, простоту обслуживания.
При этом двигатели внутреннего сгорания обладают рядом недостатков : низкий коэффициент полезного действия, токсичность, шумность.
Однако по сочетанию своих достоинств и недостатков на сегодняшний день в транспортной сфере (в качестве автомобильных двигателей) серьезных конкурентов у двигателей внутреннего сгорания нет, и в ближайшее время не предвидится.
ДВС могут разделяться по нескольким категориям
По типу преобразования энергии:
- турбинные;
- поршневые;
- реактивные;
- комбинированные
По типу рабочего цикла:
- с 2-мя тактами цикла;
- с 4-мя тактами цикла
По типу топлива, которое используется :
- на бензине;
- на дизеле;
- на газе
Устройство ДВС
ДВС имеет достаточно сложное устройство, которое может быть оснащено:
- корпусом (блоком и головкой цилиндров);
- рабочими механизмами (кривошипно-шатунным и газораспределительным);
- различными системами (топливной, впускной, выпускной, смазки, зажигания, охлаждения и управления).
КШМ (кривошипно-шатунный механизм) обеспечивает движение возвратно-поступательного характера поршня и обратное вращательное движение вала.
Газораспределительный механизм предназначен для подачи топлива и воздуха в цилиндры, для вывода отработанной газовой смеси.
Топливная система предназначена для обеспечения автомобильного двигателя топливом.
Система впуска отвечает за своевременную подачу воздуха в ДВС, а система выпуска - за вывод отработанных газов, уменьшения уровня шума от работы цилиндров, а также снижения их токсичности.
Система впрыска обеспечивает доставку ТПС в двигатель ВС.
Система розжига (зажигания) выполняет функцию розжига смеси воздуха и топлива, которая поступает в ДВС.
Система смазки обеспечивает своевременную смазку всех внутренних частей и деталей двигателя.
Система охлаждения обеспечивает интенсивное охлаждение рабочей системы ДВС во время работы.
Система управления отвечает за контроль над слаженной работой всех важных систем ДВС.
Принцип работы ДВС
Двигатель работает на тепловой энергии газов, образующихся при сгорании используемого топлива , что в свою очередь запускает поршневое движение в цилиндре. ДВС работает циклически. Для того чтобы повторялся каждый последующий цикл, отработанная смесь удаляется, а в поршень поступает новая часть топлива и воздуха.
В современных моделях автомобилей используются двигатели, работающие на 4-х тактах. Работа такого двигателя основана на четырех равных по времени частях. Такт - это процесс, который осуществляется в цилиндре автомобильного двигателя за один рабочий ход (поднятие/опускание) поршня.
Поршень в цилиндре осуществляет четыре тактовых движения - два вверх и два вниз. Тактовое движение начинается с крайней точки (нижней или верхней) и проходит следующие этапы: впуск, сжатие, движение и выпуск.
Более детально рассмотрим особенности работы ДВС на каждом из тактов.
Такт впуска
Впуск начинается в крайней точке (МТ - мертвая точка). Не имеет значения, с какой точки начинается движение, с верхней МТ или нижней МТ. Начиная свое движение в цилиндре, поршень захватывает поступившую топливно-воздушную смесь при открытом клапане впуска. При этом ТВС может образовываться как во впускном коллекторе, так и в камере сгорания.
Такт сжатия
При сжатии клапаны впуска полностью закрыты, ТВС начинает сжиматься непосредственно в цилиндрах. Это происходит за счет обратного поршневого движения от одной МТ к другой. При этом ТВС сжимается до размера самой камеры сгорания. Сильное сжатие обеспечивает более продуктивную работу ВДС.
Такт движения (рабочий ход)
На данном такте осуществляется розжиг воздушно-топливной смеси. Это может быть как путем самовоспламенения (для дизельных двигателей), так и принудительным воспламенением (для бензиновых двигателей). Вследствие возгорания ВТС происходит быстрое образование газов, энергия которых воздействует на поршень, приводя его в движение. КШМ трансформирует поступательные поршневые движения во вращательные вала. Клапаны системы на такте движения, как и на такте сжатия должны быть полностью закрытыми.
Такт выпуска
На последнем такте выпуска происходит открытие всех выпускных клапанов, после чего газораспределительный механизм удаляет отработанные газы из ДВС в выпускную систему, где происходит очистка, охлаждение и снижение уровня шума. В конце происходит полный выброс газов в атмосферу.
После завершения такта выпуска, циклы повторяются, начиная с такта впуска.
Видео, в котором наглядно показывается устройство и работа двигателя внутреннего сгорания:
ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Как было выше сказано, тепловое расширение применяется в двигателях внутреннего сгорания. Но каким образом оно применяется и какую функцию выполняет мы рассмотрим на примере работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на:
газовые турбины;
поршневые двигатели;
реактивные двигатели.
В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.
В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.
В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.
Наиболее экономичными являются двигатели внутреннего сгорания поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:
1. по способу смесеобразования:
а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.
б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.
2. по виду применяемого топлива:
а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);
б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);
в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).
3. по способу воспламенения горючей смеси:
а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);
б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).
4. по способу осуществления рабочего цикла:
а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;
б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.
5. по числу и расположению цилиндров:
а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)
б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);
в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).
6. по способу охлаждения:
а) двигатели с жидкостным охлаждением;
б) двигатели с воздушным охлаждением.
7. по назначению:
а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;
б) двигатели стационарные;
в) двигатели специального назначения.
Муниципальное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №6
Реферат по физике на тему:
Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки.
Ученика 8 «А» класса
Бутринова Александра
Учитель: Шульпина Таисия Владимировна
1. Введение ……………………………………………………………….. Стр.3
1.1.Цель работы
1.2.Задачи
2.Основная часть.
2.1.История создания двигателей внутреннего сгорания………………. Стр.4
2.2.Общее устройство двигателей внутреннего сгорания……………… Стр.7
2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей
внутреннего сгорания;……………………………………….……………..Стр.15
2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания.
2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания;……………………………………………………………………Стр. 21
2.3.2. Задачи, которые стоят перед конструкторами……………………Стр.22
2.4. Преимущество и недостатки над другими типами двигателям внутреннего сгорания ……………………………………………………..Стр.23
2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания..…………………….Стр.25
3.Заключене ………………………………………………………………. Стр.26
4.Список литературы…………………………………………………….. Стр.27
5. Приложения ……………………………………………………………. Стр.28
1. Введение.
1.1. Цель работы:
Проанализировать открытие и достижения ученых по вопросу изобретения и применения двигателя внутреннего сгорания (Д.В.С.), рассказать о его преимуществах и недостатках.
1.2. Задачи:
1.Изучить нужную литературу и отработать материал
2.Провести теоретические исследования (Д.В.С.)
3.Выяснить какие из (Д.В.С.) лучше.
2.Основная часть.
2.1 .История создания двигателя внутреннего сгорания .
Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания запатентованный в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.(рис.№1)
У двигателя Ленуара низкий термический КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра.
Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.
Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара - относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении), и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу), не помогли ему выдержать конкуренцию.
Однако в процессе эксплуатации двигателей выяснилось, что расход газа на лошадиную силу составляет 3 куб/м. в час в место предполагавшегося ориентировочно 0,5 куб/м. Коэффициент полезного действия двигателя Ленуара составлял всего-навсего 3,3%, тогда как паровые машины того времени достигали к. п. д. 10%.
В 1876 г. Отто и Ланген выставили на второй Парижской всемирной выставке новый двигатель мощностью в 0,5 л.с.(рис.№2)
Рис.2 Двигатель Отто
Несмотря на несовершенство конструкции этого двигателя, напоминающего первые пароатмосферные машины, он показал высокую по тому времени экономичность; расход газа состовлял,82 куб/м. на лошадиную силу в час и к.п.д. составил 14%. За 10 лет для мелкой промышленности было изготовлено около 10000 таких двигателей.
В 1878 г. Отто построил по идее Боуде-Роша четырёхтактный двигатель. Одновременно с использованием газа в качестве топлива стала разрабатываться идея использования паров бензина, газолина, лигроина в качестве материала для горючей смеси, а с 90-х годов и керосина. Расход горючего в этих двигателях составлял около 0,5 кг на лошадиную силу в час.
С того времени двигатели внутреннего сгорания (Д.В.С.) изменились по конструкции, по принципу работы, используемых материалов при изготовлении. Двигатели внутреннего сгорания стали мощнее, компактней, легче, но все же 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 %.
2. 2. Общее устройство двигателя внутреннего сгорания.
В основе работы каждого Д.В.С. 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.
Д.В.С., используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:
· питания;
· выпуска отработавших газов;
· зажигания;
· охлаждения;
· смазки.
Основные детали ДВС:
· головка блока цилиндров;
· цилиндры;
· поршни;
· поршневые кольца;
· поршневые пальцы;
· шатуны;
· коленчатый вал;
· маховик;
· распределительный вал с кулачками;
· клапаны;
· свечи зажигания.
Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема - с восемью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 3). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.
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. 4). 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. 5).
Рис. 3.
Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:
а - четырехцилиндровые; б - шестицилиндровые; в - двенадцатицилиндровые (α - угол развала)
Рис. 4.
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. 5.
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. 6).
Рис. 6
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
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. 4).
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.4).
Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.
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 топливовоздушная 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 топливовоздушной смеси.
В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 7), в дизельных - от сжатия.
Рис. 7
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. 6). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.
2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного
двигателей внутреннего сгорания;
Двухтактный двигатель - поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки (рис.8).
Рис.8 Двухтактный двигатель
В связи с тем, что в двухтактном двигателе, при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала, рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше, чем четырехтактных - теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена, а сам газообмен менее совершенный, чем у четырехтактных двигателей.
В отличие от четырехтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым продувочным насосом, а сам процесс газообмена получил название - продувка. В процессе продувки, свежий воздух (смесь) вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускные органы, занимая их место.
По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси), различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой.
Четырёхтактный двигатель - поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Этими тактами являются:
Первый такт - впуск:
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 (рис.9).
Рис.9 Первый такт - всасывания
Второй такт - сжатие .
После того как топливовоздушная 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. 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 °С. (рис.10)
Рис.10 Второй такт -сжатие
Третий такт - рабочий ход (основной)
Третий такт - самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис.11)
Рис.11.Третий такт, рабочий ход.
Четвертый такт - выпуск
Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (рис.12)
Рис.12 Выпуск.
Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом.
2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания.
2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания.
Со времен Ленуара по настоящие время двигатель внутреннего сгорания подвергся большим изменениям. Изменился их внешний вид, устройство, мощность. На протяжении многих лет конструкторы всего мира пытались повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, при меньшей затрате топлива, добиться большей мощности. Первым шагом к этому послужило развитие промышленности, появление более точных станков для изготовления Д.В.С, оборудования, появились новые (легкие) металлы. Следующие шаги в моторостроение, зависели от принадлежности моторов. В автомобиле строения нужны были мощные, экономичные, компактные, легко обслуживаемые, выносливые двигатели. В кораблестроение, тракторостроении нужны бы ли тяговые, с большим запасом хода двигатели (в основном дизельные) В авиации мощные без отказные долговечные моторы.
Для достижения выше сказанных параметров использовались высоко-оборотистые и мало-оборотистые. В свою очередь на всех двигателях изменялись степени сжатия, объемы цилиндров, фазы газораспределения,кол-во впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, способы подачи смеси в цилиндр. Первые двигатели были с двумя клапанам, смесь подавалась через карбюратор, состоящий из воздушного диффузора дросильной заслонки и калиброванного топливного жиклёра. Карбюраторы быстро модернизировались, подстраиваясь под новые двигатели и их режимы работы. Главная задача карбюратора приготовление горючей смеси и подачи её в коллектор двигателя. Далее использовались другие приемы для увеличения мощности и экономичности двигателя внутреннего сгорания.
2.3.2. Задачи, которые стоят перед конструкторами.
Технический прогресс шагнул так далеко что двигатели внутреннего сгорания изменились практически до не узнаваемости. Степени сжатия в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания возросли до 15 кг/кв.см на бензиновых двигателях и до 29 кг/кв.см на дизельных. Число клапанов выросло до 6 на цилиндр, с малых объемов двигателя снимают мощности которые раньше выдавали двигатели больших объемов, например: с двигателя 1600 куб.см снимают мощность 120 л.с., а с двигателя 2400 куб.см. до 200 л.с. При всем при этом требования к Д.В.С. с каждым годом возрастает. Это связанно с вкусами потребителя. К двигателям представляют требования связанные с уменьшением вредных газов. В наше время на территории России введена норма ЕВРО-3, в Европейских странах введен стандарт ЕВРО -4. Это заставило конструкторов всего мира перейти на новый способ подачи топлива, контроля, работы двигателя. В наше время за работу Д.В.С. контролирует, управляет, микропроцессор. Отработанные газы дожигаются разными видами катализаторов. Задача современных конструкторов заключается в следующем: угодить потребителю, созданием моторов с нужными параметрами,и уложиться в нормы ЕВРО-3, ЕВРО-4.
2.4. Преимущество и недостатки
над другими типами двигателям внутреннего сгорания.
Оценивая преимущества и недостатки Д.В.С. с другими типами двигателей, нужно сравнивать конкретные типы двигателей.
2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания.
Д.В.С. применяются во многих транспортных средствах и в промышленности. двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизованных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств.
3. Заключение.
Мы проанализировали открытие и достижения ученных по вопросу изобретения двигателей внутреннего сгорания, выяснили какие у них преимущества и недостатки.
4. Список литературы.
1. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1-3, Москва.. 1957.
2.Физика 8 класс. А.В. Перышкин.
3.Википедия(свободная энциклопедия)
4.Журнал «За рулем»
5. Большой справочник школьника 5-11 классы. Москва. Издательство Дрофа.
5. Приложение
Рис.1 http://images.yandex.ru
Рис.2 http://images.yandex.ru
Рис.3 http://images.yandex.ru
Рис.4 http://images.yandex.ru
Рис.5 http://images.yandex.ru
Рис.6 http://images.yandex.ru
Рис.7 http://images.yandex.ru
Рис.8 http://images.yandex.ru
Рис.9 http://images.yandex.ru
Рис.10 http://images.yandex.ru
Рис.11 http://images.yandex.ru
Рис.12 http://images.yandex.ru
В настоящее время на ТС применяются в основном четырехтактные поршневые ДВС.
Одноцилиндровый двигатель (рис. а) содержит следующие основные детали: цилиндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, коленчатый вал 1 и маховик 14. Одним своим концом шатун соединяется шарнирно с поршнем при помощи поршневого пальца 5, а другим концом - также шарнирно с кривошипом коленчатого вала.
При вращении коленчатого вала происходит возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. За один оборот коленчатого вала поршень совершает по одному ходу вниз и вверх. Изменение направления движения поршня происходит в мертвых точках - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ).
Верхней мертвой точкой называется самое удаленное от коленчатого вала положение поршня (крайнее верхнее при вертикальном расположении двигателя), а нижней мертвой точкой - самое близкое к коленчатому валу положение поршня (крайнее нижнее при вертикальном расположении двигателя).
Рис. Принципиальная схема (а) одноцилиндрового четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и его схема (б) для определения параметров:
1 - коленчатый вал; 2 - картер; 3 - шатун; 4 - цилиндр; 5 - поршневой палец; 6 - поршень; 7 - впускной клапан; 8 - впускной трубопровод; 9 - распределительный вал; 10 - свеча зажигания (бензиновые и газовые двигатели) или топливная форсунка (дизели); 11 - выпускной трубопровод; 12 - выпускной, клапан; 13 - поршневые кольца; 14 - маховик; D - диаметр цилиндра; r - радиус кривошипа; S - ход поршня
Расстояние S (рис. б) между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Его рассчитывают по формуле:
S = 2r,
где r - радиус кривошипа коленчатого вала.
Ходом поршня и диаметром цилиндра D определяются основные размеры двигателя. В транспортных двигателях отношение S/D составляет 0,7 -1,5. При S/D < 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D > 1 - длинноходным.
При перемещении поршня вниз из ВМТ в НМТ объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим. Сумма рабочих объемов всех цилиндров представляет собой рабочий объем двигателя. Выраженный в литрах, он называется литражом двигателя. Полный объем цилиндра определяется суммой его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.
Важной характеристикой двигателя является степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступивший в цилиндр заряд (воздух или топливо-воздушная смесь) при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия составляет 6 - 14, а у дизелей - 14 - 24. Принятая степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.
Работа поршневого ДВС основана на использовании давления на поршень газов, образующихся при сгорании в цилиндре смесей топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания 10, а в дизелях - вследствие сжатия. Различают понятия горючей и рабочей смесей. Горючая смесь состоит из топлива и чистого воздуха, а рабочая включает в себя также оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.
Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех процессов, каждый из которых происходит за один ход поршня (такт), или пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. Следует отметить, что в общем случае понятия «рабочий процесс» и «такт» не являются синонимами, хотя для четырехтактного поршневого двигателя они практически совпадают.
Рассмотрим рабочий цикл бензинового двигателя.
Первый такт рабочего цикла - впуск. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан 7 открыт, а выпускной 12 закрыт, и горючая смесь под действием разрежения поступает в цилиндр. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным рабочей смесью. У большинства бензиновых двигателей горючая смесь формируется вне цилиндра (в карбюраторе или впускном трубопроводе 8).
Следующий такт - сжатие. Поршень перемещается обратно из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. Это необходимо для ее более быстрого и полного сгорания. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия зависит от свойств применяемого бензина, и в первую очередь от его антидетонационной стойкости, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно составляет 76 - 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (в результате сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8… 1,2 МПа, а температура достигает 450…500°С.
За тактом сжатия следует расширение (рабочий ход), когда поршень из ВМТ перемещается обратно вниз. В начале этого такта, даже с некоторым опережением, горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания 10. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень перемещается до ЦМТ, приводя во вращение через шатун 3 коленчатый вал 1. В момент сгорания смеси температура в цилиндре повышается до 1800… 2 000 °С, а давление - до 2,5…3,0 МПа.
Последний такт рабочего цикла - выпуск. В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь вверх от НМТ к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной трубопровод 11. Затем рабочий цикл повторяется.
Рабочий цикл дизеля имеет некоторые отличия от рассмотренного цикла бензинового двигателя. При такте впуска по трубопроводу 8 в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время следующего такта сжимается. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается дизельное топливо в мелкораспыленном состоянии. Соприкасаясь с воздухом, имеющим вследствие сжатия высокую температуру, частицы топлива быстро сгорают. Выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700…2000 °С, а давление - до 7…8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз - происходит рабочий ход. Такты выпуска у дизеля и бензинового двигателя аналогичны.
Для того чтобы рабочий цикл в двигателе происходил правильно, необходимо согласовать моменты открытия и закрытия его клапанов с частотой вращения коленчатого вала. Это осуществляется следующим образом. Коленчатый вал с помощью зубчатой, цепной или ременной передачи приводит во вращение еще один вал двигателя - распределительный 9, который должен вращаться вдвое медленнее коленчатого. На распределительном валу имеются профилированные выступы (кулачки), которые непосредственно или через промежуточные детали (толкатели, штанги, коромысла) перемещают впускные и выпускные клапаны. За два оборота коленчатого вала каждый клапан, впускной и выпускной, открывается и закрывается только один раз: во время такта впуска и выпуска соответственно.
Уплотнение между поршнем и цилиндром, а также удаление со стенок цилиндра излишнего масла обеспечивают специальные поршневые кольца 13.
Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: с ускорением во время рабочего хода и замедлением при остальных, вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск). Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают массивный диск - маховик 14, который во время рабочего хода накапливает кинетическую энергию, а в течение остальных тактов отдает ее, продолжая вращаться по инерции.
Однако несмотря на наличие маховика, коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается недостаточно равномерно. В моменты воспламенения рабочей смеси картеру двигателя передаются значительные толчки, что быстро выводит из строя сам двигатель и детали его крепления. Поэтому одноцилиндровые двигатели применяются редко, в основном на двухколесных ТС. На других машинах устанавливают многоцилиндровые двигатели, которые обеспечивают более равномерное вращение коленчатого вала за счет того, что рабочий ход поршня в разных цилиндрах совершается неодновременно. Наиболее широкое распространение получили четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели, хотя на некоторых ТС используются также трех- и пятицилиндровые.
Многоцилиндровые двигатели обычно имеют рядное или V-образное расположение цилиндров. В первом случае цилиндры установлены в одну линию, а во втором - в два ряда под некоторым углом друг к другу. Этот угол для различных конструкций составляет 60… 120°; у четырех- и шестицилиндровых двигателей он обычно равен 90°. По сравнению с рядными V-образные двигатели такой же мощности имеют меньшую длину, высоту и массу. Нумерация цилиндров производится последовательно: сначала с передней части (носка) нумеруются цилиндры правой (по ходу движения машины) половины двигателя, а затем, также начиная с передней части, левой половины.
Равномерная работа многоцилиндрового двигателя достигается в том случае, если чередование рабочего хода в его цилиндрах происходит через равные углы поворота коленчатого вала. Угловой интервал, через который будут равномерно повторяться одноименные такты в разных цилиндрах, можно определить делением 720° (угол поворота коленчатого вала, при котором совершается полный рабочий цикл) на число цилиндров двигателя. Например, у восьмицилиндрового двигателя угловой интервал равен 90°.
Последовательность чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы должен быть таким, чтобы в наибольшей степени уменьшить отрицательное влияние на работу двигателя инерционных сил и моментов, возникающих из-за того, что поршни движутся в цилиндрах неравномерно и их ускорение меняется по величине и направлению. У четырехцилиндровых рядных и V-образных двигателей порядок работы может быть такой: 1 - 2 - 4 - 3 или 1 - 3 - 4-2, у шестицилиндровых рядных и V-образных двигателей - соответственно 1 - 5—3 - 6 - 2-4 и 1 - 4 - 2 - 5 - 3 - 6, а у восьмицилиндровых V-образных двигателей - 1 - 5 - 4 - 2- 6 - 3 - 7 - 8.
С целью более эффективного использования рабочего объема цилиндров и повышения их мощности в некоторых конструкциях поршневых двигателей осуществляют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува, т. е. создания на входе в цилиндр избыточного давления, чаще всего применяют газотурбинные компрессоры (турбокомпрессоры). В этом случае для нагнетания воздуха используется энергия отработавших газов, которые, выходя с большой скоростью из цилиндров, вращают турбинное колесо турбокомпрессора, установленное на одном валу с насосным колесом. Кроме турбокомпрессоров применяют также механические нагнетатели, рабочие органы которых (насосные колеса) приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя с помощью механической передачи.
Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью (бензиновые двигатели) или чистым воздухом (дизели), а также более полной их очистки от отработавших газов клапаны должны открываться и закрываться не в моменты нахождения поршней в ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах через углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, называются фазами газораспределения и могут быть представлены в виде круговой диаграммы.
Впускной клапан начинает открываться во время такта выпуска предыдущего рабочего цикла, когда поршень еще не достиг ВМТ. В это время отработавшие газы выходят через выпускной трубопровод я вследствие инерции потока увлекают за собой из открывшегося впускного трубопровода частицы свежего заряда, которые начинают наполнять цилиндр даже при отсутствии разрежения в нем. К моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения вниз впускной клапан уже открыт на значительную величину, и цилиндр быстро наполняется свежим зарядом. Угол а опережения открытия впускного клапана у различных двигателей колеблется в пределах 9…33°. Впускной клапан закроется тогда, когда поршень пройдет НМТ и начнет двигаться вверх на такте сжатия. До этого времени свежий заряд заполняет цилиндр по инерции. Угол р запаздывания закрытия впускного клапана зависит от модели двигателя и составляет 40… 85°.
Рис. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя:
а - угол опережения открытия впускного клапана; р - угол запаздывания закрытия впускного клапана; у - угол опережения открытия выпускного клапана; б - угол запаздывания закрытия выпускного клапана
Выпускной клапан открывается во время рабочего хода, когда поршень еще не достиг НМТ. При этом работа поршня, необходимая для вытеснения отработавших газов, уменьшается, компенсируя некоторую потерю работы газов из-за раннего открытия выпускного клапана. Угол Y опережения открытия выпускного клапана составляет 40…70°. Выпускной клапан закрывается несколько позднее прихода поршня в ВМТ, т. е. во время такта впуска следующего рабочего цикла. Когда поршень начнет опускаться, оставшиеся газы по инерции еще будут выходить из цилиндра. Угол 5 запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 9… 50°.
Угол а + 5, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие того что этот угол и зазоры между клапанами и их седлами в данном случае малы, утечки заряда из цилиндра практически нет. Кроме того, наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается за счет большой скорости потока отработавших газов через выпускной клапан.
Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это связано с тем, что у быстроходных двигателей все процессы газообмена происходят быстрее, а инерция заряда и отработавших газов не изменяется.
Рис. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина компрессора; 4 - силовая турбина; М - вращающий момент, передаваемый к трансмиссии машины
Принцип действия газотурбинного двигателя (ГТД) поясняет рисунок. Воздух из атмосферы засасывается компрессором 2, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 2, куда также подается топливо через форсунку. В этой камере происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают р турбину компрессору 3, где часть их энергии затрачивается на приведение в действие компрессора, нагнетающего воздух. Оставшаяся часть энергии газов преобразуется в механическую работу вращения свободной или силовой турбины 4, которая через редуктор связана с трансмиссией машины. При этом в турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления от максимального значения (в камере сгорания) до атмосферного.
Рабочие части ГТД в отличие от аналогичных элементов поршневого двигателя постоянно подвергаются воздействию высокой температуры. Поэтому для ее снижения в камеру сгорания ГТД необходимо подавать значительно больше воздуха, чем это требуется для процесса сгорания.
ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям создание такой машины реализовать было нельзя.
В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.
Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей высок.
Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра.
Принцип работы поршневых ДВС
Рассмотрим принцип работы поршневых ДВС на примере четырехтактного карбюраторного двигателя (двигатель Отто). Схема цилиндра с поршнем такого двигателя и диаграмма изменения давления газа в его цилиндре в зависимости от положения поршня (индикаторная диаграмма) показаны на рис. 11.1.
Первый такт двигателя характеризуется открытием впускного клапана 1к и за счет перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) втягиванием воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр. На индикаторной диаграмме это линия 0-1, идущая от давления окружающей среды Р ос в область разряжения, создаваемую поршнем при его движении вправо.
Второй такт двигателя начинается при закрытых клапанах движением поршня от НМТ до ВМТ. При этом происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры (линия 1-2). Перед тем как поршень достигнет ВМТ, происходит воспламенение топлива, в результате чего происходит дальнейшее увеличение давления и температуры. Сам процесс сгорания топлива (линия 2-3) завершается уже при прохождении поршнем ВМТ. Второй такт двигателя считается завершенным при достижении поршнем ВМТ.
Третий такт характеризуется перемещением поршня от ВМТ до НМТ, (рабочий такт). Только в этом такте получается полезная механич.работа. Полное сгорание топлива завершается в (3) и на (3-4) происходит расширение продуктов сгорания.
Четвертый такт двигателя начинается при достижении поршнем НМТ и открытии выхлопного клапана 2к. При этом давление газов в цилиндре резко падает и при движении поршня в сторону ВМТ газы выталкиваются из цилиндра. При выталкивании газов в цилиндре давление больше атмосферного, т.к. газам необходимо преодолеть сопротивление выхлопного клапана, выхлопной трубы, глушителя и т.п. в выхлопном тракте двигателя. Достигнув поршнем положения ВМТ, клапан 2к закрывается и цикл ДВС начинается заново с открытия клапана 1к и т.д
Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой 0-1-2-3-4-0, соответствует двум оборотам коленчатого вала двигателя (полных 4 такта двигателя). Для расчета мощности ДВС применяется среднее индикаторное давление двигателя Р i . Это давление соответствует площади 0-1-2-3-4-0 (рис.11.1), деленной на ход поршня в цилиндре (расстояние между ВМТ и НМТ). Используя индикаторное давление, работу ДВС за два оборота коленчатого вала можно представить в виде произведения Р i на ход поршня L (площадь заштрихованного прямоугольника на рис.11.1) и на площадь сечения цилиндра f. Индикаторная мощность ДВС в расчете на один цилиндр в киловаттах определяется выражением
, (11.1)
где Р i – среднее индикаторное давление, кПа;f – площадь поперечного сечения цилиндра, м 2 ;L – ход поршня, м;n – число оборотов коленчатого вала, с -1 ;V=fL – полезный объем цилиндра (между ВМТ и НМТ), м 3 .