
1.4. Устройство поршневого двс.
Двигатель – энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу.
В
Рис
1.5. Схема четырёхтактного одноцилиндрового
бензинового двигателя: 1 – распределительный
вал; 2 – толкатель; 3 – цилиндр; 4 –
поршень; 5 – штанга; 6 – впускной клапан;
7 – коромысло; 8 – свеча зажигания; 9 –
выпускной клапан; 10 – поршневые кольца;
11 – шатун; 12 – коленчатый вал; 13 –
поддон.
На большинстве современных автомобилей установлены поршневые (тепловые) двигатели, называемые двигателями внутреннего сгорания. В них теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах, преобразуется в механическую работу.
1.4.1. Поршневые ДВС. Рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя (рис. 1.5., ролик «Рабочий цикл с нормальным УОЗ», прилагаемого CD, схематично отображает протекание рабочего цикла четырёхтактного одноцилиндрового ДВС и зависимость температуры и давления в цилиндре по углу поворота коленчатого вала).
В цилиндре 3 находится поршень с поршневыми кольцами, совершающие прямолинейное возвратно-поступательное движение, соединенный с коленчатым валом 12 посредством шатуна 11 преобразующий прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Одновременно с коленчатым валом вращается с в два раза меньшей частотой, чем коленчатый вал, газораспределительный вал 1, который через промежуточные детали механизма газораспределения открывает или закрывает впускной 6 и выпускной 9 клапаны. На рис. 1.5. схематично показано, что впускные и выпускные клапаны приводятся в движение от разных распределительных валов. В действительности существуют различные схемы привода газораспределительного вала или валов.
При движении поршня вниз, открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает (за счет разрежения) горючая смесь (мелко распыленное топливо и воздух), приготовленная в карбюраторе или свежий заряд воздуха, а топливо впрыскивается форсункой в зону впускного клапана. При движении поршня вверх горючая смесь сжимается. В работающем двигателе при появлении электрической искры между электродами свечи зажигания 8 смесь, сжатая в цилиндре, воспламеняется и сгорает. Вследствие этого образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под давлением расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. При открытии выпускного клапана и при движении поршня вверх из цилиндра удаляются отработавшие газы.
1.4.2. Роторно-поршневые двигатели Ванкеля. Наряду с поршневыми ДВС нашли распространение и описаны в различных источниках РПД Ванкеля. Двигатели Ванкеля ВАЗ-311 устанавливались на некоторых патрульно-постовых отечественных автомобилях, а также двухсекционные (сдвоенные ВАЗ-311) двигатели Ванкеля устанавливались на некоторых автомобилях «Волга» ГАЗ-24.
Схема роторно-поршневого двигателя Ванкеля (рис 1.6., ролик «Рабочий цикл ПРД») с обегающим ротором. В неподвижном корпусе вращается вал с шестерней, имеющей наружные зубья. На эксцентрике вала вращается ротор. В зацеплении с шестерней вала находится шестерня ротора, имеющая внутренние зубья. Отношение чисел зубьев внутренней и наружной шестерен 2:3. При движении ротор всегда находится в соприкосновении с внутренней поверхностью корпуса всеми тремя своими углами. На дуговых поверхностях ротора сделаны углубления, изображенные пунктиром. (ролик «РПД рабочий цикл камера сгорания, РПД разборка, РПД ротор с противовесами»). Эти углубления образуют камеры сгорания. Изменением их величины осуществляется подбор необходимой степени сжатия.
В
Рис.
1.6. Схема роторно-поршневого двигателя
Ванкеля
Если остановить выходной вал и заставить вращаться корпус, то получится двигатель с вращающимся ротором. Законы изменения объемов и относительной скорости скольжения углов ротора и корпуса двигателей с вращающимся и обегающим роторами совершенно одинаковы.
Двигатель работает по четырехтактному циклу. В положении I, в полости между углами А и В 1 заканчивается выпуск отработавших газов и начинается впуск свежей рабочей смеси. В положении II, Ш и IV в полости АВ 2, 3, 4 продолжается расширение. Положение IV соответствует для полости АВ 4 н. м. т. поршневого двигателя, положение I – в. м. т. Далее, для сокращения числа схем, будем рассматривать полость АС. В положениях I и II 5 и 6 происходит сжатие рабочей смеси в полости АС, в положении III 7 смесь поджигается электрической искрой, и положение IV соответствует рабочему ходу в полости АС 8. Рассматривая далее полость СВ 9, 10, имеем в положениях I и II рабочий ход двигателя и в положениях III II и IV 12 – выпуск отработавших газов.
Аналогичные процессы происходят и в двух остальных полостях двигателя.
Таким образом, за один оборот ротора в двигателе совершается полный рабочий цикл в трех полостях. Выходной вал, на котором размещена внутренняя шестерня, сделает за это время три оборота, т.е. на каждый оборот выходного вала приходится один рабочий ход. Каждый такт в одной полости продолжается в течение 270˚ поворота выходного вала. Осуществление рабочего процесса во всех трех полостях позволяет получить при малых габаритах, весе двигателя и рабочем объёме двигателя большую мощность.
Индикаторная диаграмма РПД двигателя близка по форме к диаграмме поршневого двигателя.
Лучшая уравновешенность РПД обусловленная отсутствием кривошипно-шатунного механизма, обеспечивает лучшую равномерность работы двигателя, и позволяет развивать обороты; значительно превышающие обороты поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом.
Протекание времени-сечения открытия впускного и выпускного окон показывает преимущество РПД двигателя перед четырехтактным двигателем с клапанным газораспределением. В РПД можно быстро открывать и закрывать окна больших размеров, что позволяет иметь высокие значения коэффициента наполнения при больших числах оборотов.
Но высокие нагрузки на уплотнение ротор-поршень увеличивают скорость изнашивания уплотнения и ограничивают ресурс двигателя.
1.4.3. Комбинированная, (гибридная) силовая установка. Такие силовые установки серийно устанавливаются на автомобилях ТОЙОТА, при этом, расход топлива автомобиля около 3,5л, скорость достигает 150 км/час, запас хода ограничен только по топливу. В нашей стране также ведутся работы по доводке комбинированных силовых установок установленных на базе автомобилей «Москвич» и «Ока».
Комбинированные установки выполняются по одной из двух схем: ДВС кинематически связан с электрическим генератором и не связан с ведущими колесами автомобиля; во второй схеме ДВС связан и с генератором, и с ведущими колесами.
а) в первую схему (рис.1.7.), входят собственно силовая установка, состоящая из тяговой аккумуляторной батареи, блока суммирования напряжений и мощностей, ДВС, регулятора ДВС, тягового электрогенератора и его регулятора, задатчика режимов движения автомобиля; тяговый электропривод, играющий роль трансмиссии, состоящий из тяговых электродвигателей и регулятора их работы, дополнительного редуктора, главной передачи ведущего моста. Завершает схему движитель — ведущие колеса.
Из
схемы видно, что ДВС в ней играет роль
машины, которая приводит бортовой
электрогенератор. Других функций у него
нет. В свою очередь, генератор с
электромеханической трансмиссией
автомобиля имеет лишь электрическую
связь. Это означает, что оба агрегата,
ДВС и генератор, как бы они ни соединялись
(через сцепление или напрямую), не могут
играть роль тормоза в обычном для
автомобиля с ДВС режиме «торможение
двигателем». Но это — достоинство. При
торможении двигателем кинетическая
энергия автомобиля расходуется, по
существу, впустую, а в данной схеме она,
преобразуясь в тяговых двигателях в
электрическую, поступает в тяговую
батарею, подзаряжая ее.
Таким образом, в данной схеме механическая энергия ДВС превращается в электрическую (тяговый генератор), а затем - снова в механическую (тяговые электродвигатели), передаваемую в механическую часть трансмиссии. При торможении, наоборот, кинетическая энергия движителя превращается в электрическую (тяговый электродвигатель становится генератором) и направляется в тяговую батарею (накопитель энергии). Такое двойное преобразование энергии снижает общий КПД автомобиля. Но в конечно итоге это практически не сказывается на расходе топлива, поскольку ДВС работает на режимах, близких к оптимальным (минимальный удельный расход топлива и максимальный крутящий момент), т. е. с максимальным эффективным КПД.
Еще один плюс рассматриваемой схемы состоит в том, что отсутствие жесткой механической связи между многими ее компонентами позволяет иметь множество компоновочных решений, т. е. размещать эти компоненты в любой части кузова, сделать автомобиль полноприводным, и распределять крутящий момент в нужной пропорции по ведущим колёсам.
Есть у схемы и недостатки. Первый из них уже упоминался — двойное преобразование энергии. Второй: схема включает как минимум две тяговые электрические машины-генератор и двигатель, каждая из которых рассчитывается на максимальную мощность, необходимую для обеспечения хорошей динамики разгона и максимальной скорости движения автомобиля, используемой довольно редко, а это – «лишняя» масса.
б) вторая схема (рис. 1.8.) комбинированной силовой установки несколько отличается от первой. Во-первых, тем, что, как сказано выше, ДВС кинематически связан и с преобразователем его механической энергии в электрическую, и с ведущими колесами; во-вторых, тем, что часть компонентов установки являются одновременно и компонентами тягового силового привода, т. е. трансмиссии.
В схему входят: тяговая аккумуляторная батарея, блок суммирования напряжений и мощностей, ДВС, регулятор ДВС, муфта сцепления между коленчатым валом ДВС и обратимым преобразованием энергии, регулятор этого преобразователя, задатчик режима движения автомобиля, муфта сцепления между обратимым преобразователем энергии и преобразователем частоты вращения и момента, регулятор последнего из преобразователей, механическая передача. Выход схемы, как и в предыдущем случае, связан с ведущими колесами автомобиля.
Крутящие моменты от ДВС и электродвигателя передаются на движитель через редуктор, либо суммарно, либо раздельно, по выбору или в зависимости от режимов и условий движения.
Конструктивно этот редуктор представляет собой шестеренчатую коробку передач, состоящую из четырех пар шестерен, способных передавать крутящие моменты не только к ведущим колесам, но и от одного двигателя к другому. Это позволяет реализовывать процесс рекуперации и использовать электродвигатель в качестве стартера для ДВС.
Основная функция пускорегулирующей аппаратуры и электронного блока управления-согласование работы обоих двигателей силовой установки при передаче крутящих моментов к ведущим колесам по заданной программе и моделирование реальных условий движения транспортного средства. При этом можно выделить следующие характерные режимы работы.
Пуск ДВС и работа на холостом ходу. При повороте ключа зажигания на электродвигатель через пускорегулирующую аппаратуру подается питание от параллельно включенных блоков накопителя энергии. Электродвигатель "раскручивает" коленчатый вал ДВС до пусковой частоты вращения.
Трогание с места и разгон. Открывая дроссельную заслонку карбюратора ДВС, водитель стремится начать движение и получить заранее нужную ему скорость транспортного средства. В этот период на ведущие колеса передается суммарный крутящий момент от обоих двигателей.
Движение на подъем, при встречном ветре или при других условиях, создающих дополнительную силу сопротивления этому движению. Скорость транспортного средства при этом становится ниже определенной программно для заданного водителем угла открытия дроссельной заслонки. ДВС и электродвигатель продолжают работать в тяговом режиме, т. е. идет расход топлива и запасенной в накопителе электроэнергии.
Движение на спуске, при попутном ветре или при других условиях, уменьшающих суммарную силу сопротивления движению. В этом случае скорость — выше заданной, определяемой мощностью ДВС, поэтому электродвигатель работает в режиме генератора.
Движение накатом. При уменьшении угла открытия дроссельной заслонки электромеханическая характеристика электродвигателя такова, что частота вращения вала, при которой он переходит в генераторный режим, уменьшается, а фактическая, соответствующая скорости транспортного средства в момент уменьшения угла дроссельной заслонки, выше. Электродвигатель работает в режиме генератора до тех пор, пока скорость транспортного средства не упадет до скорости перехода электродвигателя в двигательный режим, заданный положением дроссельной заслонки.
К достоинствам схемы можно отнести следующие. Во-первых, в ней нужна лишь одна тяговая электромашина, рассчитанная на энергию, запасенную в батарее. Это прямой выигрыш в массе и габаритных размерах. Во-вторых, ее тяговую батарею можно заряжать не только от ДВС, но и от внешнего источника (бытовая и промышленные электросети).
Недостатки схемы. В связи с жесткими (механическими) связями конструктивных элементов она сужает возможности компоновочных решений. ДВС в ней работает в широком диапазоне скоростных режимов (частот вращения коленчатого вала), поэтому нужно применять систему управления, способную располагать характеристику расхода топлива как можно ближе к кривой минимальных расходов, что, конечно, усложняет систему.
ДВС входящий в комбинированную силовую установку, всегда экологичнее, экономичнее и менее мощный, чем требуется для аналогичного автомобиля с обычной силовой установкой.
Но масса и габариты комбинированной установки на 10 – 15% превышают массу равных по мощности ДВС.
1.4.3. Газотурбинные двигатели. Принципиальная схема простейшего газотурбинного двигателя показана на рис. 1.9. Он состоит из центробежного компрессора 12, камеры сгорания 3, куда поступает топливо через форсунку 2, компрессорной 10 и тяговой 9 турбин. Диск 4 турбины 10 и крыльчатка 1 компрессора 12 расположены на одном валу 11.
Д
Рис. 1.9. Схема
простейшего двухвального газотурбинного
двигателя: 1 – крыльчатка компрессора;
2 – компрессорная турбина; 3 – камера
сгорания; 4 – диск турбины; 5 – сопловый
аппарат тяговый; 6 – диск тяговой
турбины; 7 и 11 – валы турбины; 8 – редуктор;
9 – тяговая турбина; 10 – компрессор.
Основными агрегатами газотурбинного двигателя являются компрессор, турбины и камера сгорания. Кроме того, он имеет регулятор частоты вращения, масляный насос, стартер и другое вспомогательное оборудование.
Газотурбинный двигатель, схема которого показана на рис.1.9., работает следующим образом. Вал компрессора приводится в движение стартером. Пусковая частота вращения составляет 25—30% номинальной. Компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через форсунку 2 при помощи шестеренчатого насоса нагнетается топливо. Затем электрической свечой накаливания поджигается топливо. Как только образуется устойчивая зона горения, последующие порции топлива воспламеняются непосредственно от соприкосновения с пламенем, и свеча выключается.
Продукты сгорания из камеры 3 поступают в компрессорную турбину 10, где они расширяются. При этом давление равно их среднему значению между давлением за компрессором и давлением окружающей среды. Этого расширения достаточно для того, чтобы турбина могла вращать компрессор и связанные с валом вспомогательные механизмы.
Окончательное расширение продуктов сгорания происходит в тяговой турбине 9. Получаемая при этом механическая энергия расход дуется на движение автомобиля.
Отработавшие газы через выпускную трубу удаляются в атмо-1 сферу.
Отсутствие в двигателе возвратно - поступательно движущихся деталей позволяет доводить частоту вращения его ротора до 25000-40000 об/мин. Удельная масса двигателя такой схемы не превышает 0,35-0,5 кг/кВт. В газотурбинном двигателем сведено к минимуму число трущихся пар. Потери на трение возникают лишь в подшипниках валов и шестернях редуктора. Поверхности трения не омываются горячими газами. Поэтому система смазки упрощается. Расход масла существенно снижен по сравнению с поршневым двигателем. Механический КПД имеет высокое значение (достигает 0,92-0,94). Непрерывность процесса сгорания и относительная его продолжительность позволяют применять простую топливоподающую аппаратуру: шестеренчатый насос и центробежную форсунку.
Газотурбинный двигатель отличается высокими пусковыми качествами. Стартер относительно малой мощности обеспечивает его пуск при любой температуре окружающего воздуха (до-50° С). Это свойство особенно важно при эксплуатации автомобиля в арктических условиях. Существенным преимуществом автомобильного газотурбинного двигателя является его сравнительно небольшая токсичность отработавших газов. При работе двигателя под нагрузкой, она в 3-7 раз меньше, чем у дизеля. Это может иметь решающее значение при выборе двигателя для работы в карьерах. Снижение токсичности вызвано высоким средним значением коэффициента избытка воздуха более низкими по сравнению с поршневым двигателем температурой и давлением сгорания, и наконец, большим временем сгорания.
Газотурбинный двигатель полностью уравновешен, в связи с этим подмоторная рама для него может иметь значительно меньшую массу, чем для поршневого двигателя. Кроме того, газотурбинный двигатель обладает особыми преимуществами при установке его на автомобиль. В этом случае не нужно сцепление, так как вращение компрессионного вала во время запуска производится при неподвижной тяговой турбине. По этой причине (разобщение двух валов) тяговая характеристика имеет весьма благоприятный характер. Крутящий момент при трогании автомобиля с места более чем в 2 раза превышает крутящий момент на номинальном режиме. Это позволяет сократить число ступеней в коробке передач и облегчает работу водителя, так как он значительно реже переключает передачи и управляет двигателем, воздействуя только на педаль подачи топлива.
Следует, однако, заметить, что в связи с опасностью разноса тяговой турбины при внезапном сбросе нагрузки, переключение передач требует специального устройства. Его применение усложняет конструкцию коробки передач.
Г
Низкая экономичность на номинальном режиме определяется относительно небольшой степенью повышения давления в компрессоре. В результате этого температура отработавших газов оказывается высокой и с ними выбрасывается большое количество теплоты. Для ее частичной утилизации применяют теплообменники.
В середине прошлого века была попытка установить газотурбинный двигатель на легковой автомобиль. В силу своих конструктивных особенностей (низкий КПД, и соответственно высокий расход топлива на мощностях ниже 150кВт), такие автомобили не пользовались большим спросом. Большие перспективы этот двигатель имеет при его установке на транспортные средства с силовыми установками большой мощности, например на карьерных самосвалах.
1.4.4. Двигатели с внешним подводом тепла (двигатель Стирлинга). Отличительной особенностью этого двигателя (рис. 1.10.) является то, что теплота к рабочему телу, находящемуся в замкнутом цилиндровом объеме, подводится через специальный теплообменник — нагреватель. Теплота отводится через теплообменник — охладитель. Получение теплоты в автомобильных и других модификациях двигателя происходит в специальной камере сгорания, находящейся вне рабочего объема. В эту камеру поступает топливо и воздух, и в ней происходит непрерывный процесс сгорания.
Н
Рис.
1.10. Конструктивные схемы двигателя
Стирлинга: а — двигателя с внешним
подводом теплоты, работающего по
циклу Стирлинга; б — рабочей части
двигателя с диаграммой хода поршней;
А — пространство расширения; Б —
пространство сжатия; В — буферная
полость; 1 — кольцевой газопровод; 2 —
поршень-вытеснитель; 3 — цилиндр; 4 —
шток поршня-вытеснителя; 5 — рабочий
поршень; 6 — шток рабочего поршня; 7 —
ярмо рабочего поршня; 8 — шатун рабочего
поршня; 9 — шатун поршня-вытеснителя;
10 — ярмо поршня-вытеснителя; 11 —
форсунки; 12 — горелка; 13 — подогреватель;
14 — трубы подогревателей; 15 — ребра;
16 — регенератор; 17 — трубы охлаждения;
18 — противовес; 19 — синхронизирующие
шестерни; 20 — кривошип
При нахождении рабочего поршня в НМТ большая часть газа (рабочего тела) находится в нижнем отсеке (положение I, рис. 1.10., б). Когда рабочий поршень движется вверх, происходит процесс сжатия (положение II, рис. 1.10., б). При движении поршня - вытеснителя вниз (положение III, рис. 1.10., 6) происходит перекачка газа из нижнего отсека в верхний. На своем пути газ вначале охлаждается в охладителе 17, затем подогревается в регенераторе 16 за счет аккумулированной в предыдущем цикле тепловой энергии. Затем газ нагревается в подогревателе 13, где газу передается теплота, образующаяся при сгорании топлива. При совместном движении рабочего поршня и поршня-вытеснителя вниз нагретый газ расширяется (положение IV, рис. 1.10., б). После этого цикл повторяется.
Под рабочим поршнем размещена герметизированная буферная полость В, наполненная сжатым газом. Когда при движении рабочего поршня вниз совершается рабочий ход, давление в этой полости повышается и при возвратном движении поршня за счет запасенной энергии производится сжатие холодного газа в рабочем объеме.
На рис. 1.10. б, показан также путь обоих поршней в зависимости от угла поворота φ вала.
Для утилизации энергии продуктов сгорания, поступающих для осуществления процесса сгорания, воздух, поступающий в камеру сгорания, предварительно подогревается в теплообменнике за счет теплоты продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу.
Для превращения тепловой энергии в механическую работу и осуществления необходимой синхронизации движения поршней, при котором поршень-вытеснитель на некоторый угол поворота вала должен опережать движение рабочего поршня, в рассматриваемой схеме применен специальный ромбический механизм. Он позволяет обеспечить близкую к оптимальной кинематику механизма. Привод состоит из двух противоположно вращающихся валов, соединенных один с другим двумя синхронизирующими шестернями 19, четырех шатунов (двух рабочих поршней 12 и двух поршней - вытеснителей 13) и двух кривошипов 20.
Из рабочей полости двигателя в картер выходит прямолинейно движущийся шток рабочего поршня 6, внутри которого проходит шток поршня - вытеснителя 4. Механизм с прямолинейно движущимся штоком позволяет создать надежное уплотнение и предотвратить утечки газа в полость картера. Для полного уравновешивания инерционных сил установлены противовесы 18, движущиеся противоположно цапфам кривошипа.
Двигатель Стирлинга имеет ряд преимуществ, из которых применительно к автомобильным модификациям, главными являются следующие:
высокий и малозависящий от нагрузки - КПД (его значения приближаются к значениям КПД дизелей);
меньшая по сравнению с двигателем внутреннего сгорания токсичность отработавших газов. Следует также отметить, что эти двигатели не выбрасывают в атмосферу картерные газы;
малый шум при работе. Плавное изменение давлений между началом и концом сжатия (давление в рабочей полости вначале сжатия составляет 10 МПа, а в конце 20 МПа) способствует отсутствию вибраций механизма. По опубликованным данным, уровень шума двигателя Стирлинга примерно на 20 дБ меньше, чем у дизеля;
возможность применения различных топлив, низкий расход масла, отсутствие его старения при работе двигателя;
низкая температура отработавших газов;
более высокий по сравнению с двигателями внутреннего сгорания коэффициент приспособляемости;
хорошие пусковые качества и простота пуска;
надо также отметить то, что в качестве топлива для этих двигателей можно использовать всё что горит.
К недостаткам двигателя нужно отнести следующее:
относительно невысокую приемистость из-за наличия тепловой инерции всех его контуров;
сложность конструкции большинства систем (поршневого кривошипно-шатунного механизма, теплообменных аппаратов, автоматического регулирования);
худшие по сравнению с двигателями внутреннего сгорания массовые и габаритные показатели установки;
сложность обеспечения надежного уплотнения зон раздела рабочего и картерного пространства двигателя.
большее по сравнению с ДВС время подготовки двигателя к работе.
1.4.5. Паровой двигатель. В конце IX века паровые двигатели также устанавливались на автомобили. По своим эксплуатационным характеристикам он близок к двигателю Стирлинга. Интересно, что рекламировали эти автомобили таким образом: автомобиль упирали в препятствие, включали двигатель (коробки передач такие автомобили не имели), и двигатель работал до тех пор, пока не сгорали шины, т.е. двигатель имел прекрасную приспособляемость к изменению нагрузки, а автомобиль проходимость.