Архив WinRAR_1 / 2 — Двигатели / 26 — области применения ДВС. Классификация ДВС
Среди двигателей, применяющихся в настоящее время, а также перспективных для использования на автомобильном транспорте, следует отметить следующие типы:
1. Двигатели внутреннего сгорания, которые подразделяют на поршневые и роторно-поршневые.
2. Газотурбинные двигатели (ГТД).
3. Двигатели внешнего сгорания (паровые, двигатели Стирлинга).
4. Электрические двигатели.
5. Криогенные двигатели.
6. Инерционные двигатели.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время являются наиболее распространенными автомобильными двигателями. В этих двигателях топливо сгорает непосредственно внутри рабочего органа — цилиндра (в поршневых двигателях) или в полости, образованной ротором и корпусом (в роторных двигателях). Основным преимуществом ДВС является непосредственное воздействие продуктов сгорания топлива на поршень. Это дает возможность добиться сравнительно высоких значений термического коэффициента полезного действия (ТКПД).
Высокая (по сравнению с другими типами тепловых двигателей) экономичность ДВС, возможность построения их в большом диапазоне мощностей, достаточно быстрый пуск, небольшие масса и размеры, сравнительно невысокая стоимость, большой ресурс обусловили их широчайшее распространение в различных сферах деятельности. ДВС в настоящее время являются практически единственным типом двигателей в силовых агрегатах не только автомобилей, но и тракторов, сельскохозяйственной техники, дорожных, строительных машин. Судовые, локомотивные и авиационные силовые установки малой мощности обычно также представлены двигателями внутреннего сгорания различных типов.
Области применения ДВС
Поршневые и комбинированные двигатели в зависимости от их назначения изготовляются с мощностью от нескольких сот ватт до 40000кВт. Основные области их применения:
1. Автомобильный транспорт, тракторы, сельхозмашины и др.
2. Железнодорожный транспорт, в т.ч. энергопоезда.
3. Морской и речной флот, катера.
4. Легкомоторная авиация.
5. Строительная, дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, самоходные краны, компрессоры, передвижные электростанции и др.).
6. Стационарная электроэнергетика.
7. Привод компрессоров, насосов на трубопроводах, в бурильных установках.
8. Модели и модельные установки.
9. Военная и специальная техника.
Классификация ДВС.
Признаки классификации ДВС могут быть различными и определяются как назначением, особенностями практического применения, так и принципами построения, элементами конструкции и др. Поэтому при некоторой условности все же следует отметить следующие общепринятые принципы и признаки классификации поршневых двигателей.
1. По назначению: стационарные, переносные, транспортные (автомобильные, тракторные, судовые, авиационные и др.).
2. По роду применяемого топлива: двигатели легкого топлива, тяжелого, газообразного, многотопливные.
3. По способу осуществления зарядки цилиндров: четырехтактные и двухтактные двигатели.
4. По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
5. По способу воспламенения смеси: двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.
6. По конструктивному расположению цилиндров и схеме: рядные и звездообразные, вертикальные и горизонтальные схемы. Кроме того, рядные двигатели подразделяют на V-, W-, H-, Y- и X-образные и др. Некоторые варианты компоновки представлены на рис.1.1.
7. По способу охлаждения двигатели разделяют на двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.
Помимо перечисленных признаков иногда двигатели классифицируют по способам регулирования, скорости вращения, признакам цикла, наличию систем наддува и т.д.
В современных автомобилях применяются преимущественно четырехтактные поршневые двигатели с рядным, V-образным и оппозитным расположением цилиндров.
Устройство автомобилей
К двигателям, устанавливаемым на автомобилях, предъявляются определенные требования, которые зависят и от условий полной автономности этих транспортных средств, и от их конкретного назначения (типа автомобиля) . В любом случае, двигатель автомобиля должен иметь минимальные габариты и массу при достаточной развиваемой мощности и высокой экономичности, а также не представлять угрозу безопасности людей и окружающей природы.
Как уже упоминалось в предыдущей статье, на автомобилях наибольшее распространение получили тепловые двигатели, преобразующие энергию тепла от сгорания топлива в механическую энергию движения. Применение двигателей других типов, способных использовать для работы прочие виды энергии, ограничено рядом причин, среди которых наиболее веская – технологическая.
Тепловая энергия является доступной, ее можно легко извлечь из любого калорийного топлива, но самое главное – тепловую энергию в виде топлива можно в достаточном количестве запасти в дорогу. Ведь автомобиль – это автономное средство передвижения, и если его, например, «привязать» проводами к емкому источнику электроэнергии, то он лишится автономности.
Сложно запастись в дорогу и другими видами энергии, например, энергией сжатого газа, потока жидкости, солнечного света и т. п.
Применение в автомобильных двигателях ядерной энергии на современном уровне развития науки и технологий обойдется слишком дорого, а в условиях массовой эксплуатации — небезопасно.
Поэтому основное препятствие на пути использования других видов энергии вместо тепловой в автомобильных двигателях – отсутствие емких аккумуляторов энергии, способных поддерживать работу двигателя длительное время.
Все тепловые двигатели по способу подвода тепла к рабочему телу делят на два типа:
- тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) ;
- тепловые двигатели с внешним подводом теплоты.
На современных автомобилях в подавляющем большинстве применяется первый тип двигателей, который отличается тем, что тепло к газообразному рабочему телу подводится непосредственно в самом двигателе путем сжигания смеси топлива с кислородом воздуха.
К двигателям второго типа, использующим для работы рабочее тело, нагретое вне двигателя, относятся, например, паровые машины, которые в настоящее время почти не используются по ряду причин:
- высокая удельная металлоемкость на единицу полученной механической энергии;
- низкий КПД;
- относительно долгая подготовка к работе и т. д.
Рядом технологических причин ограничивается использование в качестве автомобильных двигателей газовых турбин, которые подразделяются на турбины внешнего сгорания и турбины внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга, который по принципу действия относится к двигателям внешнего сгорания, тоже не получил признания в массовом автомобильном производстве.
По конструкции тепловые двигатели классифицируют на следующие типы:
- поршневые;
- роторно-поршневые;
- газотурбинные;
- реактивные.
Наибольшее распространение на автомобилях получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые в свою очередь классифицируются по следующим признакам:
По способу воспламенения рабочего тела :
- с искровым (принудительным) воспламенением;
- с воспламенением от сжатия (самовоспламенением) .
К первому типу относятся двигатели, использующие специальную систему воспламенения рабочего тела (систему зажигания) . К таковым относятся, например, карбюраторные, инжекторные и газовые двигатели.
Ко второму типу относятся дизельные двигатели, в которых топливо самовоспламеняется из-за сильного нагрева при высокой степени сжатия.
По виду используемого топлива :
- работающие на жидком топливе (бензин, дизтопливо, керосин) ;
- работающие на газообразном топливе.
По способу смесеобразования :
- с внешним смесеобразованием;
- с внутренним смесеобразованием.
К двигателям с внешним смесеобразованием (т. е. смешиванием топлива с кислородом воздуха вне цилиндра) относятся карбюраторные двигатели и двигатели с центральным и распределенным впрыском бензина, а к двигателям с внутренним смесеобразованием – дизельные и инжекторные двигатели непосредственного впрыска, в которых топливо и воздух поступают в цилиндр раздельно, и в дальнейшем смешиваются, образуя рабочую смесь.
По регулированию мощности :
- количественное регулирование;
- качественное регулирование.
При количественном регулировании мощность двигателя изменяется вследствие изменения общего количества топливовоздушной смеси, подаваемой в цилиндр.
При качественном регулировании мощность изменяется количеством впрыскиваемого в цилиндр топлива при неизменном количестве подаваемого воздуха.
По характеру и последовательности термодинамических процессов в цилиндрах двигателя:
- двухтактные;
- четырехтактные.
По расположению цилиндров в блоке:
- однорядные;
- однорядные с наклоном;
- оппозитные;
- крестообразные;
- звездообразные;
- V-образные;
- VR-образные;
- W-образные;
- U-образные (двухрядные).
Термодинамические процессы, имеющие место в тепловых двигателях, а также пути повышения их эффективности (КПД) рассмотрены в статьях раздела «Основы гидравлики и теплотехники». Там же можно найти информацию об истории изобретения тепловых двигателей, применяемых на автомобилях.
Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания можно условно классифицировать:
1) по способу смесеобразования и виду применяемого топлива; 2) по способу осуществления рабочего цикла; 3) по числу цилиндров и их расположению; 4) по способу охлаждения и смазки деталей и т.п.
По способу смесеобразования двигатели внутреннего сгорания делятся на двигателис внешним смесеобразованиеми двигателис внутренним смесеобразованием.
Автомобильные двигатели с внешним смесеобразованием работают на лёгком топливе, в основном на бензине или газе. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляюткарбюраторные, газобаллонные и инжекторные системы питания. Образование топливно-воздушной смеси происходит вне цилиндра двигателя — в смесительной камере карбюратора, в специальном смесителе или непосредственно во впускном коллекторе. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.
Автомобильные двигатели с внутренним смесеобразованием работают, в основном на дизельном топливе, которое относится к тяжёлым видам топлив. К этому же виду топлива относят «солярку», мазут и сырую нефть. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением являетсясистема непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.
По способу осуществления рабочего цикла следует различатьдвухтактныеичетырёхтактныедвигатели. У первых,рабочий циклсовершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала. У вторых, рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т.е. за два оборота коленчатого вала. Под рабочим циклом двигателя следует понимать совокупность процессов, протекающих в цилиндрах двигателя и «заставляющих» его работать.
Подавляющее большинство современных автомобилей оборудуются четырёхтактными двигателями.
По числу цилиндров и их расположению двигатели делятся на двух – и многоцилиндровые с рядным, многорядным, вертикальным, наклонным, звездообразным и горизонтальным расположением цилиндров (рис. 2.4).
Многорядные двигатели можно разделить на: 1)V – образные двухрядные двигатели, с углом развала цилиндров 90 и менее градусов; 2)U – образные двухрядные двигатели; 3)оппозитные двигателис расположением цилиндров под углом 180 градусов друг к другу; 4)W – образные трёхрядные двигатели; и 5) двигатели с большим числом рядов цилиндров.
Многорядное расположение цилиндров двигателя позволяет уменьшить габаритную длину двигателя при сохранении числа цилиндров. Оппозитное, т.е. лежачее расположение цилиндров, уменьшает габаритную высоту двигателя, что в свою очередь позволяет снизить центр тяжести автомобиля и, тем самым улучшить его устойчивость.
По способу охлаждения и смазки деталей различают двигатели с воздушным и жидкостным охлаждением, с принудительной смазкой деталей, смазкой разбрызгиванием и комбинированной смазкой.
Также имеются и иные конструктивные отличия двигателей.
Дата добавления: 2016-06-22 ; просмотров: 7196 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Двигатель: типы, системы питания
Двигатели легковых авто классифицируют: 1. По роду применяемого топлива — бензиновые, дизельные. 2. По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС. 3. По способу воспламенения либо искра либо сжатие. 4. По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные (оппозитные), вертикальные, V-образные.
Двигатели легковых авто классифицируют:
1. По роду применяемого топлива — бензиновые, дизельные.
2. По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС.
3. По способу воспламенения либо искра либо сжатие.
4. По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные (оппозитные), вертикальные, V-образные.
Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в бензиновом двигателе производится регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.
Карбюраторные и инжекторные двигатели
По способу смесеобразования бензиновые двигатели делятся на карбюраторные, инжекторные и прямого впрыска.
Процесс приготовления горючей смеси в карбюраторных двигателях происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором за счёт аэродинамических сил топливо смешивается с потоком воздухаРабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда.
В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку.
Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (катализаторов). Обязательным элементом такой системы управления является лямбда-зонд (кислородный датчик). Благодаря кислородному датчику система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор.
Система непосредственного впрыска
Самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей является система непосредственного впрыска топлива, основанная на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.
Применение данной системы позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.
Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система представляет собой дальнейшее развитие объединенной системы впрыска и зажигания Motronic.
Устройство системы непосредственного впрыска:
• топливный насос высокого давления;
• регулятор давления топлива;
• топливная рампа;
• предохранительный клапан;
• датчик высокого давления;
• форсунки впрыска;
• блок управления двигателем;
• входные датчики.
Топливный насос высокого давления подает топливо к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от впускного распределительного вала двигателя.
Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Расположен в топливном насосе высокого давления.
Топливная рампа распределяет топливо по форсункам впрыска и предотвращает пульсацию топлива в контуре.
Предохранительный клапан устанавливается на топливной рампе и защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива.
Датчик высокого давления служит для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе.
Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива для образования определенного вида топливно-воздушной смеси.
Блок управления двигателем в совокупности с входными датчиками образуют систему управления двигателем.
В результате работы система непосредственного впрыска обеспечивает:
послойное смесеобразование — используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух, с образованием воздушного вихря, поступает в камеры сгорания с большой скоростью. В зону свечи зажигания в конце такта сжатия производится впрыск топлива. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. Смесь воспламеняется и вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.
стехиометрическое гомогенное смесеобразование — применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. Впускные заслонки открыты, дроссельная заслонка открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива происходит на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. При воспламенении смесь эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.
гомогенное смесеобразование — двигатель работает в промежуточных режимах. Дроссельная заслонка максимально открыта, впускные заслонки закрыты. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. На такте впуска производится впрыск топлива. Коэффициент избытка воздуха поддерживается на уровне 1,5.
Четырехтактные и двухтактные двигатели
По способу осуществления рабочего цикла двигатели бывают четырехтактные и двухтактные.
Двухтактные двигатели обладают меньшим КПД, однако большей мощностью на единицу объёма. Поэтому применяются там, где очень важны небольшие размеры и неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах.
Четырёхтактные двигатели устанавливаются на большинство транспортных средств. Не только бензиновые, но и дизельные двигатели могут быть четырёхтактными или двухтактными. Двухтактные дизели применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках) и лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей.
Также бензиновые двигатели классифицируют по числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; по расположению цилиндров — двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд ("рядный" двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом, W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом; по способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением; по типу смазки — смешаный тип (масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип (масло находится в картере); по виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные; по степени сжатия — двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия; по способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (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; по частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные; по назначению-стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, который работает по принципу воспламенения топлива от сжатия и высокой температуры. Дизельные двигатели используют в своей работе дизельное топливо (в народе — «солярка»).
Первый «Дизель-мотор» был построен Рудольфом Дизелем в начале 1897 года и успешно испытан 28 января того же года.
Основное отличие дизельного двигателя от бензинового — способ подачи топливовоздушной смеси в цилиндр и способ ее воспламенения. В дизеле воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (обычно 20:1), воздух от сжатия нагревается до температуры свыше 700°С. Когда поршень поднимается в верхнюю мертвую точку (конец такта сжатия), топливо под очень высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания в распыленном до мельчайших частиц состоянии. Затем топливо смешивается с воздухом, и, так как температура воздуха очень высокая, происходит сгорание топливовоздушной смеси. При сгорании выделяется энергия, которая движет поршень вниз (рабочий ход). При снижении температуры воздуха из-за образования парафина текучесть дизельного топлива ухудшается. По этой причине оно становится густым и забивает топливный фильтр. Именно из-за этого фирмы-производители дизельного топлива добавляют в него зимой специальные присадки, которые повышают текучесть топлива и гарантируют надежный запуск до температуры минус 22°С. Если при похолодании (ниже -10°С) в баке находится летнее топливо, то нужно добавить в него специальную разжижающую присадку. При запуске двигателя в холодную погоду температура сжатого воздуха в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения топлива. Решить эту проблему помогает система предварительного накала (подогрева).
Как работает дизель?
Первый такт (такт впуска, поршень идет вниз) — воздух втягивается в цилиндр через открытый впускной клапан.
Второй такт (такт сжатия, поршень идет вверх) — впускной и выпускной клапаны закрыты, воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т.е. по сравнению с общим объемом цилиндра объем становится меньше в 17 раз, воздух становится очень горячим.
Третий такт (такт рабочего хода, поршень идет вниз) — топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.
Четвертый такт (такт выпуска, поршень идет вверх) — выпускной клапан открывается и через него проходят выхлопные газы.
Common Rail
Самый современный этап эволюции бензиновых и дизельных двигателей с прямым впрыском топлива — дизель системы Common Rail. Отличие его от традиционных дизелей с низким давлением подачи топлива в наличии рампы, куда под большим давлением (более 1000бар) подается дизельное топливо, которое далее распределяется между электрическими форсунками с соленоидными клапанами.
Прототип системы Common Rail был разработан в конце 60-х годов Робертом Хубером в Швейцарии.
Принцип работы:
Насос поставляет дизельное топливо из бака через подогреватель топлива и фильтр к насосу высокого давления. Он приводится в работу двигателем и направляет топливо под высоким давлением в рампу. Для нормальной работы некоторых типов систем необязательно поддерживать постоянно самое высокое давление. Трубки рампы оканчиваются инжекторами и имеют одинаковую длину. На рампе также расположен регулятор давления, который отправляет лишнюю часть топлива обратно в бак через охладитель. С помощью датчика давления в рампе блок управления двигателем может получать информацию о давлении в рампе и контролировать его.
В настоящее время дизели системы COMMON RAIL вытесненяют традиционные дизеля. Причинами этого служат меньший шум, лучшие экологические данные по выхлопу, более дешевое производство компонентов.