Типы ДВС и их классификация
Сколько марок автомобилей колесит по дорогам нашей матушки Земли? Уже трудно посчитать. А сколько двигателей понаизобретали? Это уже за пределами современной статистики. Поэтому нужна классификация двигателей внутреннего сгорания, чтобы хотя бы иметь представление о различии их конструкций и принципиальных особенностей.
Так уж случилось, что в современном автомобилестроении победу одержали энергетические установки, содержащие в себе принцип внутреннего сгорания, преобразующие тепловую энергию сгоревшего топлива в цилиндре, в механическую работу. Вот мы и рассмотрим эти самые ДВС и разберемся с их классификацией.
Классификация двигателей
Классификация двигателей будет понятна, если мы её рассмотрим на основе их признаков: по их назначению, конструктивным особенностям, физическим процессам и другим характерным особенностям.
По топливу
Тактовый рабочий цикл.
По типу смесеобразования
- внешнее смесеобразование (карбюраторные или газовые двигатели).
Нужно обратить внимание на то, что карбюраторные двигатели потребляют легкое жидкое топлив (бензин) и в камеру сгорания поступает уже готовая смесь паров топлива с воздухом; - внутреннее смесеобразование (бензиновые и дизельные с непосредственным впрыском топлива)
дизели работают на жидком тяжелом топливе (дизельное). Оно поступает через форсунки в камеру сгорания в тот момент, когда воздух максимально сжат поршнем, находится в верхней мертвой точке (ВМТ), и соответственно перегрет до высокой температуры, достаточной для поджига смеси;
По способу воспламенения смеси.
- с непосредственным поджиганием смеси в цилиндре в нужный момент, будь то карбюраторные или двигатели с впрыском бензина.;
- с воспламенением от сжатия в цилиндре (дизель).
По конструкции расположения и числа цилиндров.
- однорядные, двухрядные (V-образные, оппозитные);
- n — цилиндровые. Количество цилиндров в двигателе автомобилей может быть любым, но самые распространенные в автомобилестроении — четырехцилиндровые двигатели.
По системам охлаждения двигателя
- воздушное (с естественным атмосферным обдувом и принудительным);
- жидкостное (специальная система двигателя, имеющая по всему двигателю каналы, по которым принудительно перекачивается охлаждающая жидкость, охлаждая её с помощью радиатора). На блоге подробно описана работа охлаждающей системы.
Это и есть краткое пояснение по теме классификация ДВС. По каждому пункту на блоге мы будем рассматривать все особенности работы двигателей.
Читайте, совершенствуйтесь, делитесь полученными знаниями в сетях.
Источник
Классификация двигателей
В зависимости от способа приготовления топливовоздушной (горючей) смеси различают двигатели:
- с внешним смесеобразованием
- с внутренним смесеобразованием
Горючей смесью называют смесь паров топлива или горючего газа с воздухом в отношении, обеспечивающем сгорание ее в рабочем цилиндре двигателя. Образуется горючая смесь в двигателях в процессе смесеобразования. Она перемешивается в камере сгорания с остаточными продуктами сгорания и образует рабочую смесь.
Смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси. В двигателях внутреннего сгорания различают смесеобразование внешнее и внутреннее.
Внешнее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси вне цилиндра двигателя — в карбюраторе (у двигателей, работающих на жидком легкоиепаряющемся топливе) или в смесителе — у двигателей, работающих на газе.
Внутреннее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси внутри цилиндра. Топливо подается в камеру сгорания форсункой при помощи насоса высокого давления.
В быстроходных дизелях применяют два способа образования смеси: объемное и пленочное.
Объемным смесеобразованием называется такой способ образования горючей смеси, при котором топливо из жидкого состояния превращается в парообразное под действием вихревых потоков воздуха в камере сгорания.
Пленочный способ смесеобразования заключается в превращении топлива из жидкого состояния в парообразное в процессе перемещения тонкого слоя (пленки) топлива по поверхности камеры сгорания под действием потока воздуха. Для полного сгорания топлива при объемном смесеобразовании требуется, чтобы форсунки хорошо распыливали и равномерно распределяли топливо по объему камеры сгорания. В дизелях, работающих с пленочным смесеобразованием, топливо впрыскивается форсункой на поверхность камеры сгорания под малым углом к поверхности. Затем оно вихревыми потоками воздуха перемещается по нагретой поверхности камеры и испаряется. При таком способе смесеобразования к форсунке предъявляются менее высокие требования, чем при объемном.
Для полного сгорания топлива в двигателе требуется минимальное, так называемое теоретически необходимое, количество воздуха. Так, для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 0,496 кмоль воздуха, а для сгорания 1 кг бензина 0,516 кмоль воздуха. Однако вследствие несовершенства процесса смесеобразования количество воздуха, содержащегося в горючей смеси работающего двигателя, может быть больше или меньше, чем указано.
Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха а. Он зависит от типа двигателя, конструкции, вида и качества топлива, режима и условий работы двигателя. У автомобильных двигателей, работающих на бензине, а = 0,85… 1,3. Наиболее благоприятные условия для сгорания топлива создаются при а = 0,85…0,9. Двигатель при этом развивает максимальную мощность. Наиболее экономичный режим работы — при а = 1,1…1,3. Это режим нагрузок, близких к полной.
Образование рабочей смеси в карбюраторных двигателях начинается в карбюраторе, продолжается во впускных трубопроводах и заканчивается в камере сжатия. В дизелях рабочая смесь образуется в камере сжатия при впрыске топлива в нее форсункой. Поэтому времени на приготовление рабочей смеси в дизелях будет меньше, чем в карбюраторных двигателях, и качество приготовления рабочей смеси хуже.
Для обеспечения полного сгорания единицы поступившего в цилиндр топлива дизелям нужно больше воздуха, чем карбюраторным двигателям. В связи с этим коэффициент избытка воздуха у дизелей колеблется на режимах полной и близкой к полной нагрузке в пределах 1,4…1,25, а на холостом ходу равен 5 и более единицам.
Если в составе рабочей смеси воздуха меньше, чем теоретически необходимо для полного сгорания содержащегося в смеси топлива, то такая смесь называется «богатой». Если а>1, т. е. в смеси воздуха больше, чем теоретически необходимо для сгорания топлива, то такая смесь называется «бедной».
Чем выше качество смесеобразования, тем ближе величина а к единице. Для каждого типа двигателя коэффициент а имеет свои значения. В процессе эксплуатации нарушается регулировка топливоподающей аппаратуры, загрязняются воздушные фильтры, а это приводит к повышению гидравлического сопротивления и снижению количества воздуха, поступающего в цилиндры. При этом рабочая смесь часто переобогащается. В результате топливо сгорает не полностью. Вместе с отработавшими газами в атмосферу выбрасываются токсичные их составляющие, такие, как окись углерода (СО), окись и двуокись азота (NO, N02). Они загрязняют окружающую среду. Наряду с этим ухудшается экономичность работы двигателя. Особенно много выделяется окиси углерода при работе бензиновых двигателей на обогащенной смеси. В небольших количествах СО выделяется при работе дизелей на холостом ходу. Это вызывается местными переобогащениями смеси вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры.
Для уменьшения загрязнения окружающей среды необходимо своевременно и высококачественно регулировать топливоподающую аппаратуру и обслуживать систему фильтрации воздуха и механизм газораспределения.
По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия.
В двигателях с принудительным воспламенением рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, которая образуется тогда, когда поршень приближается к верхней мертвой точке (в.м.т.) в такте сжатия. К этому моменту в камере сжатия находится топливовоздушная смесь, сжатая до 0,9… 1,5 МПа и нагретая до 280…480°С.
Жидкое топливо может сгорать только в газообразном состоянии. Поэтому необходимо, чтобы карбюратор обеспечивал возможно более тонкое распыливание топлива. Чем тоньше распыливание, тем больше общая поверхность частичек топлива, тем за более короткий промежуток времени оно испаряется. При возникновении искры воспламеняется только та часть смеси, которая находится у электродов искровой свечи зажигания. В этой зоне температура достигает 10 000° С, и образовавшееся пламя распространяется со скоростью 30…50 м/с по всему объему камеры сгорания. Продолжительность процесса сгорания составляет 30…40° угла поворота коленчатого вала. Угол в градусах поворота коленчатого вала от момента образования искры в свече до в.м.т. называется углом опережения зажигания ф3. Оптимальное значение величины угла ф3 зависит от конструкции двигателя, режима работы, условий эксплуатации двигателя и качества топлива.
Источник
Двигатель: типы, системы питания
Автор: Александра ХОВАНСКАЯ | Источник: www.rul.by | Фото: Фото производителя
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.
Источник
