Введение

Автомобильный транспорт (AT) занимает главенствующее положение во всем мире среди всех видов транспорта по своим функциональным возможностям в сфере использования, в том числе по удобству доставки грузов и пассажиров до места назначения.

Основной энергетической установкой (ЭУ) на AT в настоящее время и в ближайшем будущем остаются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) в виду их более высоких основных технических показателей и относительно низкой стоимости в изготовлении и обслуживании по сравнению с другими видами ЭУ. Кроме ПДВС на автомобильном транспорте находят применение: газовые турбины - ГТД (в карьерных самосвалах и в гибридных ЭУ), роторно-поршневые двигатели РПД (легковых и спортивных автомобилях), двигатели с внешним подводом теплоты - работающие по циклу Стирлинга и Рэнкина (обладают хорошими экологическими показателями). В последнее время все большее применение находят двигатели с электрическим приводом (аккумуляторные и с тепловыми элементами), а также гибридные, включающие в своей состав ПДВС, газовые турбины с относительно небольшой мощностью и аккумуляторные батареи, питающие электродвигатели.

История развития ПДВС

Первый промышленный ПДВС был создан в 1860 г. во Франции инженером Э. Ленуаром. Это был двухтактный двигатель, работающий на светильном газе, с золотниковым газораспределением с воспламенением от постороннего источника зажигания без процесса сжатия, с засасыванием топливовоздушной смеси до половины хода поршня. Этот двигатель представлял собой несовершенную установку, неконкурентную даже с существовавшими в то время паровыми машинами, о чем свидетельствует такой важный показатель как КПД — он был равен 4%. Немецкий механик Н. Отто в 1870 представил проект, разработанного по предложенному французским инженером Бо де Рошем циклом со сгоранием топлива по изохоре (процесс при V=const), а в 1876 впервые создал четырехтактный газовый двигатель мощностью 2 л.с, с числом оборотов 150 мин^-1 и массой 2000 кг. По своим техническим характеристикам он превосходил двигатель Э. Ленуара и существующие паровые машины и поэтому успешно эксплуатировался несколько лет.

В России в 1879 инженер И. С. Костович предложил проект, а в 1885 создал четырехтактный транспортный бензиновый двигатель с электрическим зажиганием для дирижабля мощностью 80 л.с. и массой 240 кг. Двигатель Костовича имел более высокие технические показатели, чем двигатель Отто, и отличался более прогрессивной конструкцией. Одновременно в Германии Г.Даймлер и независимо от него К. Бенц создали также четырехтактные двигатели с изохорным подводом теплоты небольшой мощности для самодвижущихся экипажей, положив тем самым начало эры автомобильных двигателей и автомобилестроения.

Следующий этап развития ПДВС был связан с разработкой в 1895 г. проекта немецким инженером Рудольфом Дизелем стационарного двигателя с воспламенением от сжатия компрессорного типа с изобарным (процесс при р=const) подводом теплоты (в состав установки входил компрессор для создания давления и распыливания топлива). Однако в следствии конструктивного несовершенства и ошибочных теоретических предпосылок — он предполагал осуществлять работу двигателя без охлаждения стенок цилиндра, т.е. приблизить тепловой процесс к циклу Карно. Созданная тепловая машина оказалась неработоспособной. Перепроектированный инженерами

Аугсбургского завода в 1897 двигатель, работающий на керосине, был запущен, однако вследствие выявившихся недостатков выпуск последующих образцов был прекращен. Подобные двигатели, работающие при воспламенении топлива от высокой температуры, получаемой от сжатия в дальнейшем в России получили название «дизель» по имени его изобретателя.

Значительно больших успехов в создании двигателей с воспламенением от сжатия добились русские специалисты. В 1899 в России на заводе «Русский дизель» был создан более совершенный по конструкции и рабочему процессу промышленный двигатель, компрессионного типа, работающий как на керосине, так и на сырой нефти и соляровом масле. В 1901 русский инженер Г. В. Тринклер создал первый в мире бескомпрессорный дизель (с изохорно-изобарным подводом теплоты), а в 1910 Я. В. Мамин создал более совершенную конструкцию бескомпрессорного двигателя для первого в России трактора.

Успешное развития отечественного двигателестроения в России сопровождалось созданием и развитием теории рабочего процесса.

Так в 1906 году профессор МВТУ В. И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета рабочего процесса, положивший основу современной теории тепловых процессов ПДВС. Большой вклад в дальнейшее развитие теории рабочего процесса внесли советские ученые Н. Р. Бриллинг, Е. К. Мазинг, Б. С. Стечкин и др.

Классификация и условное обозначение автомобильных двигателей

Основным типом ЭУ на транспорте, в том числе на автомобильном, являются тепловые двигатели (ТД), преобразующие в соответствии с первым законом термодинамики тепловую энергию в работу. Рассмотрим существующую классификацию ТД.

1. По назначению различают стационарные и транспортные ТД.

1.1. Стационарные двигатели работают, как правило, в узком диапазоне нагрузок и скоростных режимов.

1.2. Транспортные работают в широком спектре частот и нагрузок при изменении положения двигателя в пространстве и ударных нагрузок. Поэтому к транспортным двигателям предъявляются повышенные требования по надежности, весу и габаритам.

2. По роду используемого топлива двигатели различаются на:

2.1. двигатели, работающие на легком жидком топливе – бензин, керосин, этанол, метанол;

2.2. двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе – дизельное топливо, газойль, соляровое масло, мазут;

2.3. газовые двигатели, работающие на природном, промысловом, генераторном и других газах, в том числе водородные двигатели;

2.4. двигатели, работающие на смешанном топливе – основным топливом является газ, а для пуска двигателя используется жидкое топливо;

2.5. многотопливные двигатели работают на различных топливах – бензине, керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте и даже на угольной суспензии.

3. По способу преобразования тепловой энергии в механическую различают двигатели:

3.1 внутреннего сгорания – ПДВС и роторно-поршневые (РПД); в них физико-химические процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую происходят в одном внутрицилиндровом объеме;

3.2 с внешним подводом теплоты – газотурбинные двигатели (ГТД) и двигатели, работающие по циклу Стирлинга и Рэнкина, в первых из них процесс горения происходит в отдельном агрегате (камере сгорания), а образующиеся при этом продукты сгорания, обладающие высокой кинетической энергией, поступают на лопатки турбины; во вторых теплота подводится к постоянно циркулирующему по отдельному контуру рабочему телу, а затем тепловая энергия преобразуется в работу в специальном расширительном цилиндре;

3.3 комбинированные двигатели – сгорание топлива осуществляется в поршневом двигателе (он является генератором газа), а механическая энергия совершается как в цилиндре поршневого двигателя, так и частично на лопатках газовой турбины (так называемые, свободно поршневые генераторы газов СПГГ).

4. По способу смесеобразования ТД делят на двигатели:

4.1 с внешним смесеобразованием – в них горючая смесь образуется вне цилиндра: карбюраторные, газовые и с впрыском топлива во впускной коллектор;

4.2 с внутренним смесеобразованием в этих двигателях рабочая смесь образуется внутри цилиндра путем впрыскивания в камеру сгорания с помощью форсунок в конце такта сжатия – дизели, а в двигателях с принудительным зажиганием как на такте впуска, так и на такте сжатия в смесь горячего воздуха и остаточных газов топлива;

4.3 с расслоением заряда – в них в разных зонах камеры сгорания образуется рабочая смесь разного состава (с различными коэффициентами избытка воздуха).

5. По способу воспламенения рабочей смеси двигатели различают:

5.1 с принудительным воспламенением, т.е. воспламенением рабочей смеси от электрической искры - к ним относятся двигатели с легким жидким топливом (бензин, керосин, спирты) и газовые двигатели;

5.2 с воспламенением от высокой температуры при сжатии (двигатели с самовоспламенением) – дизели;

5.3 двигатели с форкамерно-факельным воспламенением, в которых рабочая смесь воспламеняется искрой в специальной камере небольшого размера (форкамера), а дальнейший процесс горения происходит в основной камере;

5.4 двигатели с газожидкостным процессом, в них газовое топливо загорается от небольшой порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия.

6. По способу осуществления рабочего цикла ПДВС разделяются на:

6.1 четырехтактные двигатели без наддува (б/н) и с наддувом (с/н);

6.2 двухтактные двигатели б/н и с/н.

7. По способу регулирования в связи с изменением нагрузки:

7.1 с качественным регулированием, в которых при постоянном количестве вводимого в цилиндры воздуха увеличивается или уменьшается количество подаваемого топлива и состав смеси изменяется – дизели и двигатели с непосредственным впрыском бензина в цилиндр;

7.2 с количественным регулированием, в которых состав смеси остается постоянным и меняется количество – карбюраторные двигатели;

7.3. со смешанным регулированием – изменяется количество и состав смеси.

8. По конструкции различают:

8.1. Поршневые двигатели. Они делятся:

а) по расположению цилиндров на: вертикальные рядные, горизонтальные рядные, V- образные, звездообразные;

б) по расположению поршней: на однопоршневые; с противоположно-движущимися поршнями(рабочая полость между поршнями); двойного действия (по обе стороны поршня имеются рабочие полости);

8.2. роторно-поршневые (двигатели Ванкеля)

а) ротор (поршень) совершает планетарные движения в корпусе, при движении ротора между ним и стенками;

б) корпус совершает планитарное движение;

в) ротор и корпус совершают вращательное движение биороторный двигатель.

9. По способу охлаждения:

9.1 с жидкостным охлаждением;

9.2. с воздушным охлаждением

Часть 1. Основы технической термодинамики

Глава 1.Основные понятия и законы термодинамики

1.1 Основные понятия технической термодинамики

Термодинамика изучает законы превращения энергии в процессах, происходящих в материальных объектах (материальный процесс состоит из большого числа элементарных частиц), иначе термодинамика – наука о преобразовании энергии. Возникла она в первой четверти 19-го столетия в связи с необходимостью научного обоснования принципа действия и методов расчета тепловых двигателей.

Основные положения термодинамики составляют научную основу теории тепловых двигателей, в том числе двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от исследуемых задач различают: техническую, химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т.д.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Основная же задача последней – изучение закономерностей превращения тепловой энергии в работу и наиболее эффективных условий, при которых они совершаются.

Термодинамической системой (ТС) называется совокупность материальных тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействиях, и свойства которых являются объектом термодинамического исследования. Выбор ТС произволен и диктуется условиями поставленной задачи. Тела, не входящие в ТС, но взаимодействующие с ней называют окружающей средой (ОС), Так, например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания, в котором происходит преобразование тепловой энергии в механическую энергию – ТС, а пространство вне цилиндра – ОС.

Преобразование теплоты в работу и обратно в термодинамических процессах осуществляют с помощью рабочего тела (РТ), обладающего свойствами упругости, например, воздух, водяной пар, смесь газов, образующихся в процессе сгорания топлива, электромагнитные излучения и т.д.

В зависимости от условий взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой различают: открытую и закрытую, адиабатную и изолированную системы (Рис. 1.)

Рис. 1. Типы систем: а) открытая ТС; б) закрытая ТС; в,г)адиабатная ТС; д) изолированная ТС.

Открытой термодинамической системой называют такую систему, в которой помимо теплового (Q) и механического взаимодействия (L) происходит обмен веществом (m) с другими системами.

В закрытой термодинамической системе происходит тепловое и механическое взаимодействие, но отсутствует обмен веществом между ТС и ОС. В адиабатной системе отсутствует обмен теплотой с окружающей средой. В изолированной системе отсутствует обмен энергией и веществом между ТС и ОС.

ТС, сообщающая РТ теплоту, называется теплопередатчиком (аккумулятором), а ТС, воспринимающая от РТ теплоту – теплоприемником (холодильником). ТС однородная, если во всех ее частях свойства одинаковы.

Совокупность физических свойств ТС или тела в рассматриваемых условиях называют состоянием ТС, а величины, характеризующие состояние ТС называются термодинамическими параметрами. К ним относятся: термодинамическая температура – Т, давление – р, объем – V (удельный объем – v), плотность – ρ, внутренняя энергия – U (удельная внутренняя энергия – u ), энтропия – S (удельная энтропия – s ), энтальпия – Н(удельная энтальпия – h).

Различают равновесное и неравновесное, стационарное и нестационарное состояния ТС или РТ. Равновесное состояние ТС характеризуется неизменностью во времени термодинамических параметров и отсутствием в ней потоков вещества и теплоты. В противном случае состояние называют неравновесным. Состояние ТС, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термодинамическим равновесием, а при одинаковом во всех частях давлении – механическим равновесием.

Если при условии постоянства внешних воздействий устанавливается такое состояние ТС, при котором распределение значений параметров в различных частях системы хотя и не является равновесным, но с течением времени не меняется, такое неравновесное состояние системы называется стационарным. Если распределение значения параметров меняется во времени, то состояние ТС называется нестационарным.

Под воздействием подвода или отвода энергии в форме теплоты или работы происходит изменение состояния ТС или РТ или иначе происходит изменение термодинамических её параметров. Такое изменение состояние ТС называется термодинамическим процессом. Если термодинамический процесс представляет собой непрерывный ряд равновесных состояний, он называется равновесным. Если термодинамический процесс проходит через неравновесное состояние, то такой процесс называют неравновесным.

В термодинамике используется физическая модель газообразных РТ – идеальный газ. В идеальном газе отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а молекулы представляют собой упругие частицы, объем которых пренебрежимо мал по сравнению с объемом газа, в котором они находятся. При малой плотности и высоких температурах свойства реального газа близки к свойствам идеального газа.