2. Основні параметри автомобільних двигунів

Автомобільні поршневі двигуни внутрішнього згорання володіють безліччю показників – потужність, крутний момент, витрата палива, викид шкідливих речовин і т. д., які багато в чому залежать від їх конструктивних параметрів.

Типи двигунів

Двигун внутрішнього згорання — пристрій, що перетворює енергію (згорання палива) в механічну роботу. Практично всі автомобільні двигуни працюють по циклу, що складається з чотирьох тактів:

• впуск повітря або його суміші з паливом;

• стискання робочої суміші

• робочий хід при згоранні робочої суміші;

• випуск відпрацьованих газів.

Найбільшого поширення в автомобілях набули поршневі двигуни — бензинові і дизельні.

Бензинові двигуни мають примусове запалення паливо-повітряної суміші іскровими свічками. Розрізняються за типом системи живлення:

• у карбюраторних змішення бензину з повітрям починається в карбюраторі і продовжується у впускному трубопроводі. В даний час випуск таких двигунів знижується із-за низької економічності і невідповідності сучасним екологічним нормам;

• у двигунах із вприскуванням, паливо може подаватися одним інжектором (форсункою) в загальний впускний трубопровід (центральний, моноуприскування) або декількома інжекторами перед впускними клапанами кожного циліндра (розподілене уприскування). У них можливе деяке збільшення максимальної потужності і зниження витрати бензину і токсичності відпрацьованих газів за рахунок точнішого дозування палива електронною системою управління двигуном;

• двигуни з безпосереднім уприскуванням бензину в камеру згорання, який подається в циліндр декількома порціями, що оптимізує процес згорання, дозволяє двигуну працювати на збіднених сумішах, відповідно зменшується витрата палива і викид шкідливих речовин.

Дизелі — двигуни, в яких займання суміші палива з повітрям відбувається від підвищення її температури при стискуванні. В порівнянні з бензиновими ці двигуни володіють кращою економічністю (на 15-20%) завдяки більшому (у два і більше разів) ступеню стиску, що поліпшує процеси згорання паливо-повітряної суміші. Перевагою дизелів є відсутність дросельної заслінки, яка створює опір руху повітря при впуску і збільшує витрату палива. Максимальний крутний момент, дизелі розвивають на меншій частоті обертання колінчастого валу.

Дизелі застарілих конструкцій володіли в порівнянні з бензиновими двигунами і рядом недоліків:

• більшою масою і вартістю при однаковій потужності із-за високого ступеня стиску (у 1,5-2 рази більше), що збільшував тиск в циліндрах і навантаження на деталі, що примушувало виготовляти міцніші елементи двигуна, збільшуючи їх габарити і вагу;

• більшою шумністю через особливості процесу згорання палива в циліндрах;

• меншими максимальними оборотами колінчастого вала через вищу масу деталей, що викликають великі інерційні навантаження. З цієї ж причини дизелі, як правило, повільніше набирають оберти.

Роторно-поршневий двигун (Ванкеля) — в ньому ротор-поршень здійснює не зворотно-поступальний рух, як в бензинових двигунах і дизелях, а обертається по певній траєкторії. Завдяки цьому він володіє хорошою приємністю — швидко набирає оберти, забезпечуючи автомобілю хорошу динаміку розгону. Через конструктивні особливості ступінь стиску обмежений, тому даний двигун працює тільки на бензині і володіє гіршою економічністю через форму камери згорання. Раніше його недоліком був менший ресурс, а зараз і невисокі екологічні показники, яким приділяється велика увага.

Гібридна силова установка є комбінацією поршневого двигуна (як правило, дизеля) електродвигуна, генератора і тягових акумуляторних батарей. Робота цієї установки відбувається в різних режимах в залежності ось характеру руху автомобіля. При інтенсивному розгоні разом працюють поршневий і електричний двигуни. Під час гальмування двигуном за рахунок енергії уповільнення, генератор заряджає акумуляторні батареї. При русі в міському циклі може працювати тільки електродвигун. Все це дозволяє, зберігаючи (або навіть покращуючи) динаміку розгону, значно підвищити економічність і понизити викид шкідливих речовин.

Компонування поршневих двигунів

Значна різноманітність компоновок поршневих двигунів пов'язана з їх розміщенням в автомобілі і необхідністю умістити певну кількість циліндрів в обмеженому об'ємі моторного відсіку.

Рисунок 1.1 - Схема компонування ДВЗ

Рядний двигун (рис. 1.1, а) — компоновка, при якій всі циліндри знаходяться в одній площині. Застосовується для невеликої кількості циліндрів (2, 3, 4, 5 і 6). Рядний шестициліндровий двигун найлегше піддається урівноваженню (зниженню вібрацій), але володіє значною довжиною.

V-подібний двигун (рис. 1.1, б) — циліндри в нього розташовані в двох площинах, як би утворюючи латинську букву V. Кут між цими площинами називають кутом розвалу. Найчастіше таке розміщення циліндрів застосовується для шести- і восьмициліндрових двигунів і позначається V6 і V8 відповідно. Така компоновка дозволяє зменшити довжину двигуна, але збільшує його ширину.

Опозитний двигун (рис. 1.1, в) має кут розвалу 180°, завдяки цьому в нього висота агрегату найменша серед всіх компоновок.

VR-двигун (рис. 1.1, г) володіє невеликим кутом розвалу (порядку 15°), що дозволяє зменшити як подовжній, так і поперечний розміри агрегату.

W-двигун має два варіанти компоновки — три ряди циліндрів з великим кутом розвалу (рис. 1.1, д) або як би дві VR-компоновки (рис. 1.1, е). Забезпечує хорошу компактність навіть при великій кількості циліндрів. В даний час серійно випускають W8 і W12.

Конструктивні параметри двигунів

Перш ніж розглядати робочі процеси, зупинимося на основних поняттях і визначеннях, прийнятих для двигунів внутрішнього згорання.

За один оберт колінчастого валу поршень двічі знаходитиметься в крайніх положеннях, де змінюється напрям його руху (рис 1.2). Ці положення поршня прийнято називати мертвими точками, оскільки зусилля, прикладене до поршня у цей момент, не може викликати обертального руху колінчастого валу. Положення поршня в циліндрі, при якому відстань його від осі валу двигуна досягає максимуму, називається верхньою мертвою точкою (ВМТ). Нижньою мертвою точкою (НМТ) називають таке положення поршня в циліндрі, при якому відстань його від осі валу двигуна досягає мінімуму.

Відстань по осі циліндра між мертвими точками називають ходом поршня. Кожному ходу поршня відповідає поворот колінчастого валу на 180°.

Переміщення поршня в циліндрі викликає зміну об'єму надпоршневого простору. Об'єм внутрішньої порожнини циліндра при положенні поршня у ВМТ називають об'ємом камери згорання Vc.

Об'єм циліндра, що утворюється поршнем при його переміщенні між мертвими точками, називається робочим об'ємом циліндра Vh.

V_{h =}.

де D – діаметр циліндра, мм;

S – хід поршня, мм.

Об'єм надпоршневого простору при положенні поршня в НМТ називають повним об'ємом циліндра Va.

Va = Vh+ Vc

Рисунок 1.2 - Схема поршневого двигуна внутрішнього згорання

Робочим об'ємом двигуна - це величина робочого об'єму циліндра двигуна, що множиться на число циліндрів.

Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згорання Vc називають ступенем стиску

ε = =

При переміщенні поршня в циліндрі окрім зміни об'єму робочого тіла змінюються його тиск, температура, теплоємність, внутрішня енергія.

Робочим циклом називають сукупність послідовних процесів, що здійснюються з метою перетворення теплової енергії палива на механічну.

Досягнення періодичності робочих циклів забезпечується за допомогою спеціальних механізмів і систем двигуна.

Робочий цикл будь-якого поршневого двигуна внутрішнього згорання може бути здійснений по одній з двох схем, зображених на рис. 1.3.

По схемі, зображеній на рис. 1.3.а, робочий цикл здійснюється таким чином. Паливо і повітря в певних співвідношеннях перемішуються поза циліндром двигуна і утворюють горючу суміш. Отримана суміш поступає в циліндр (впуск), після чого вона піддається стискуванню. Стиску суміші, як буде показано нижче, необхідне для збільшення роботи за цикл, оскільки при цьому розширюються температурні межі, в яких протікає робочий процес. Попереднє стиску створює також кращі умови для згорання суміші повітря з паливом.

Під час впуску і стиску суміші в циліндрі відбувається додаткове перемішування палива з повітрям. Підготовлена горюча суміш займається в циліндрі за допомогою електричної іскри. Унаслідок швидкого згорання суміші в циліндрі різко підвищується температура і, отже, тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня від ВМТ до НМТ. В процесі розширення нагріті до високої температури гази здійснюють корисну роботу. Тиск, а разом з ним і температура газів в циліндрі при цьому знижуються. Після розширення слідує очищення циліндра від продуктів згорання (випуск), і робочий цикл повторюється.

Зовнішнє сумішоутворення Внутрішнє сумішоутворення

Повітря

Паливо

Сумішоутворення

Стиск

Сумішоутворення Займання і згорання

Розширення

Випуск

Повітря

Впуск

Стиск

Паливо

Сумішоутворення, займання і згорання

Розширення

Випуск

Впуск

а б

Рисунок 1.3 - Схеми робочого циклу двигунів

У розглянутій схемі підготовка суміші повітря з паливом, тобто процес сумішоутворення, відбувається в основному поза циліндром, і наповнення циліндра проводиться готовою горючою сумішшю, тому двигуни, що працюють за цією схемою, називаються двигунами із зовнішнім сумішоутвореням. До таких двигунів належать карбюраторні двигуни, що працюють на бензині, газові двигуни, а також двигуни з уприскуванням палива у впускний трубопровід, тобто двигуни, в яких застосовується паливо, що легко випаровується і добре перемішується з повітрям за звичайних умов.

Стиску суміші в циліндрі у двигунів із зовнішнім сумішоутвореням має бути таким, щоб тиск і температура в кінці стиску не досягали значень, при яких могли б відбутися передчасний спалах або дуже швидке (детонаційне) згорання. Залежно від використаного палива, складу суміші, умов теплопередачі в стінки циліндра і так далі тиск кінця стиск у двигунів із зовнішнім сумішоутвореням знаходиться в межах 1,0–2,0 Мпа.

Якщо робочий цикл двигуна відбувається по схемі, описаній вище, то забезпечується гарне сумішоутворення і використання робочого об'єму циліндра. Проте обмеженість ступеня стиску суміші не дозволяє поліпшити економічність двигуна, а необхідність в примусовому запаленні ускладнює його конструкцію.

У разі здійснення робочого циклу по схемі, показаній на рис. 1.3б, процес сумішоутворення відбувається тільки усередині циліндра. Робочий циліндр в даному випадку заповнюється не сумішшю, а повітрям (впуску), яке і піддається стиску. В кінці процесу стиску в циліндр через форсунку під великим тиском вприскується паливо. При уприскуванні воно дрібно розпилюється і перемішується з повітрям в циліндрі. Частинки палива, стикаючись з гарячим повітрям, випаровуються, утворюючи паливоповітряну суміш. Займання суміші при роботі двигуна за цією схемою відбувається в результаті розігрівання повітря до температур, що перевищують самозаймання палива унаслідок стиску. Уприскування палива щоб уникнути передчасного спалаху починається тільки в кінці такту стиску. До моменту займання зазвичай уприскування палива ще не закінчується. Паливоповітряна суміш, що утворюється в процесі уприскування, виходить неоднорідною, унаслідок чого повне згорання палива можливе лише при значному надлишку повітря. В результаті вищому ступеню стиску, допустимому при роботі двигуна за даною схемою, забезпечується і вищий ККД. Після згорання палива слідує процес розширення і очищення циліндра від продуктів згорання (випуск). Таким чином, в двигунах, що працюють за другою схемою, весь процес сумішоутворення і підготовки горючої суміші до згорання відбуваються усередині циліндра. Такі двигуни називаються двигунами з внутрішнім сумішоутворенням. Двигуни, в яких займання палива відбувається в результаті високого стиску, називаються двигунами із займанням від стиску, або дизелями.

2. Класифікація двигунів внутрішнього згоряння та вимоги до них

Всі автомобільні двигуни класифікують за такими основними ознаками:

1. За родом палива, що застосовується в двигуні:

а) двигуни, які працюють на рідких паливах (бензині, гасі, дизельному паливі, лігроїні);

б) двигуни, які працюють на газоподібних паливах (природньому, стисненому, зрідженому, генераторному газі);

в) багатопаливні, які працюють на різних рідких паливах нафтового походження.

2. За способом здійснення робочого циклу на:

а) 4-тактні, в яких робочий цикл відбувається за 4 такти (ходи поршня) або за 2 оберти колінчастого вала;

б) 2-тактні, в яких робочий цикл виконується за 2-такти (ходи поршня) або за один оберт колінчастого вала.

3. За способом наповнення робочого циліндра двигуна свіжим зарядом:

а) без наддування;

б) з наддуванням.

4. За способом сумішоутворення на двигуни:

а) із зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторні і газові),

б) із внутрішнім сумішоутворенням (дизелі і з упорскуванням легких палив у циліндри).

5. За способом запалювання робочої суміші на двигуни:

а) із запалюванням суміші від іскри (карбюраторні, газові та уприскуванням легких палив);

б) із запалюванням палива від стиску (дизелі);

в) із запалюванням газу шляхом упорскування запального дизельного палива, яке спалахує від стиску (газодизельний процес).

6. За конструкцією камери згоряння на дизелі з:

а) нерозділеними камерами (однокамерні) - дизелі з розпилюванням палива в одній камері згоряння;

б) розділеними камерами (декілька камер) - дизелі, які мають дві камери: допоміжну - для сумішоутворення і часткового згоряння палива та основну – для згоряння основної маси палива.

7. За способом охолодження на двигуни:

а) з рідинним охолодженням;

б) з повітряним охолодженням.

8. За числом і розміщенням циліндрів у двигуні:

а) одно- дво- три- 4- 6- 8- 12- циліндрові і т.д.

б) однорядні (вертикальні та горизонтальні);

в) дворядні (У-подібні та опозитні).

9. За ступенем швидкохідності на двигуни:

а) тихохідні при середній швидкості поршня V < 10 м/с;

б) швидкохідні при V > 10,6 м/с.

10. За призначенням на двигуни:

а) автомобільні;

б) тракторні;

в) що обслуговують с/г, лісове, шляхове та інші господарства.

11. За робочим об'ємом циліндрів (літражем):

а) мікролітражні - до 1 л.;

б) малолітражні - до 2 л.;

в) середньолітражні - до 3...4 л.;

г) великого літражу - більше 4 л.

Вибір типу двигуна залежить від його призначення та вимог щодо палива, габаритних розмірів, ваги та інше. Двигун повинен відповідати своєму призначенню, мати високі техніко-економічні показники та відповідати таким вимогам:

• простота конструкції та надійність роботи на різних експлуатаційних режимах;

• мінімальні габарити і вага, водночас висока надійність і довговічність роботи;

• висока економічність щодо витрат паливо-мастильних матеріалів на різних експлуатаційних режимах;

• високий моторесурс, тобто якомога тривалий термін служби, протягом якого двигун повинен працювати надійно і економічно до капітального ремонту;

• безвідмовний пуск при різних температурних умовах і добра приємистість;

• як можна повне урівноваження сил і моментів рухомих мас;

• забезпечення заданого ступеня нерівномірності обертання вала;

• низький рівень шуму;

• повна безпека обслуговування на різних режимах експлуатації;

• забезпечення надійної роботи без регулятора.

Контрольні питання

1. Історія розвитку автомобільних двигунів.

2. Класифікація двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ).

3. Характерні об’єми циліндрів ДВЗ.

4. Ступінь стиску.