Під час роботи електродвигуна частина електричної енергії перетворюється в теплову. Це пов'язано з втратами енергії на тертя в підшипниках, на і перемагничивание в сталі статора і ротора, а також в обмоток статора і ротора. Втрати енергії в обмотках статора і ротора пропорційні квадрату величини їх струмів. Струм статора і ротора пропорційний
навантаженні на валу. Решта втрати в двигуні майже не залежать від навантаження.
При незмінному навантаженні на валу в двигуні виділяється певна кількість теплоти в одиницю часу.
Підвищення температури двигуна відбувається нерівномірно. Спочатку вона зростає швидко: майже вся теплота йде на підвищення температури, і лише мала кількість її йде в навколишнє середовище. Перепад температур (різниця між температурою двигуна і температурою навколишнього повітря) поки ще невеликий. Однак у міру збільшення температури двигуна перепад зростає і тепловіддача в навколишнє середовище збільшується. Зростання температури двигуна сповільнюється.
Схема вимірювання температури елктродвігателя: а - за схемою з перемикачем; б - за схемою зі штепсельною вилкою.
Температура двигуна припиняє зростати, коли вся знову виділяється теплота буде повністю розсіюватися в навколишнє середовище. Така температура двигуна називається сталою. Величина сталої температури двигуна залежить від навантаження на його валу. При великому навантаженні виділяється велика кількість теплоти в одиницю часу, значить, вище встановилася температура двигуна.
Після відключення двигун охолоджується. Температура його спочатку знижується швидко, так як перепад її великий, а потім у міру зменшення перепаду - повільно.
Величина допустимої усталеною температури двигуна обумовлюється властивостями ізоляції обмоток.
У більшості двигунів загального застосування для ізоляції обмотки використовуються емалі, синтетичні плівки, просочені картони, бавовняна пряжа. Гранично допустима температура нагріву цих матеріалів 105 ° С. Температура обмотки двигуна при номінальному навантаженні повинна бути на 20 ... 25 ° С нижче гранично допустимої величини.
Значно більш низькою температурою інструмента відповідає роботі його з малим навантаженням на валу. При цьому коефіцієнт корисної дії двигуна і коефіцієнт його потужності невеликі.
Режими роботи електродвигунів
Розрізняють три основні режими роботи двигунів: тривалий, повторно-короткочасний і короткочасний.
Тривалим називається режим роботи двигуна при постійному навантаженні тривалістю не менше, ніж необхідно для досягнення сталої температури при незмінній температурі навколишнього повітря.
Повторно-короткочасним називається такий режим роботи, при якому короткочасна незмінна навантаження чергується з відключеннями двигуна, причому під час навантаження температура двигуна не досягає усталеного значення, а під час паузи двигун не встигає охолонути до температури навколишнього повітря.
Короткочасним називається такий режим, при якому за час навантаження двигуна температура його не досягає усталеного значення, а за час паузи встигає охолонути до температури навколишнього повітря.
Малюнок 1. Схема нагріву і охолодження двигунів: а - тривалого режиму роботи, б - повторно-короткочасного, в - короткочасного
На рис. 1 зображені криві нагрівання й охолодження двигуна і підводиться потужності Р для трьох режимів роботи. Для тривалого режиму роботи зображені три криві нагрівання й охолодження 1, 2, 3 (рис. 1, а), що відповідають трьом різним навантаженням на його валу. Крива 3 відповідає найбільшому навантаженню на валу; при цьому потужність, що підводиться P3\u003e P2\u003e Pi. При повторно-короткочасному режимі двигуна (рис. 1, б) температура його за час навантаження не досягає сталої. Температура двигуна підвищувалася б по пунктирною кривою, якби час навантаження було більш тривалим. Тривалість включення двигуна обмежується 15, 25, 40 і 60% часу циклу. Тривалість одного циклу t ц приймається рівною 10 хв і визначається сумою часу навантаження N і часу паузи R, т. Е.
Для повторно-короткочасного режиму роботи випускаються двигуни з тривалістю роботи ПВ 15, 25, 40 і 60%: ПВ \u003d N: (N + R) * 100%
На рис. 1 в зображені криві нагрівання й охолодження двигуна при короткочасному режимі роботи. Для цього режиму робляться двигуни з тривалістю періоду незмінною номінальною навантаження 15, 30, 60, 90 хв.
Теплоємність двигуна - величина значна, тому нагрів його до сталої температури може тривати кілька годин. Двигун короткочасного режиму за час навантаження не встигає нагрітися до усталеної температури, тому він працює з більшим навантаженням на валу і більшою підводиться потужністю, ніж такий же двигун тривалого режиму роботи. Двигун повторно-короткочасного режиму роботи також працює з більшим навантаженням на валу, ніж такий же двигун тривалого режиму роботи. Чим менше тривалість включення двигуна, тим більше допустиме навантаження на його валу.
Для більшості машин (компресори, вентилятори, картоплечистки і ін.) Застосовуються асинхронні двигуни загального застосування тривалого режиму роботи. Для підйомників, кранів, касових апаратів застосовуються двигуни повторно-короткочасного режиму роботи. Двигуни короткочасного режиму роботи використовуються для машин, пріменяёмих під час ремонтних робіт, наприклад електричних талів і кранів.
Особливу увагу необхідно приділяти показниками основних систем, одним з яких є робоча температура мотора машини. Вона відображається на приладовій панелі у вигляді невеликого стрілочного табло. В основному, автолюбителі стикаються з перегрівом силового агрегату. Нерідко трапляється і зворотні відхилення, коли водій помічає, що падає температура двигуна при русі.
Яка система відповідає за збереження постійної температури двигуна?
Жодний транспортний засіб не застрахований від поломок. Вузли і агрегати авто складаються з безлічі невеликих компонентів, функціональний ресурс яких має значні обмеження. Якщо власник автомобіля зауважує, що на ходу падає температура ДВС, йому необхідно приділити пильну увазі цілісності елементів системи охолодження. Саме в ній криються причини проблем.
Суть роботи охолоджувальної системи полягає в русі спеціальної рідини - антифризу за двома технологічними колам. Один з них - малий, не передбачає проходження ОЖ через охолоджуючий радіатор, розташований в передній частині моторного відсіку. Вона обмежується циркуляцією лише по «сорочці».
Проходження великого контуру починає відбуватися при їзді на середні та дальні відстані. За перемикання кіл відповідає спеціальний термостатичний клапан, що відкриває охолоджуючої рідини шлях в радіатор, коли вона надмірно нагрілася. Там антифриз остигає і повертається в систему вже холодним.
Окремо наголошується, що в охолоджуючий контур може бути залитий не тільки антифриз, а й тосол, і навіть звичайна вода.
Падає стрілка температури. Чому?
Найбільш поширені неполадки, при яких температурні показники агрегату неконтрольовано зростають, досягаючи критичних значень. Причина перегріву - заклинив термостат, який дозволить охолоджуючої рідини перейти на режим проходження через радіатор. Нагрівається антифриз продовжує циркулювати по малому колу до тих пір, поки не закипить.
Часто зустрічаються і зворотні ситуації, коли при їзді стрілка температури двигуна падає. Чому? Справа, знову-таки, як роботи згаданого клапана. Якщо термостат не може закритися до кінця, дозволяючи рідини безперервно описувати велике коло, мотор не розігріється до своєї робочої температури.
Іноді заклинювання термостата відбувається вже після прогріву ДВС. Коли це сталося, водій може помітити, що падає температура двигуна під час руху, хоча вона повинна підтримуватися на стабільно рівному, робочому рівні.
Часом температурний режим змінюється стрибкоподібно, то зростає, то різко знижується. Це означає, що клапан періодично підклинює, при цьому водій помітить ситуацію, коли періодично падає стрілка температури.
Від чого ще може впасти температура?
Існують і інші технічні причини, що впливають на недогрів силового агрегату авто:
- Порушення роботи вентилятора. Цей електричний елемент повинен включати лише тоді, коли керуючий блок дає йому спеціальну команду, засновану на свідченнях температурних датчиків. Збої в злагодженій роботі системи можуть привести до того, що вентилятор буде працювати в постійному режимі, або починати своє функціонування навіть тоді, коли в цьому немає необхідності. Часом навіть датчик виявляється ні до чого, а обертання лопатей викликає звичайне замикання проводки.
- Непоодинокі й проблеми з вискомуфтой. Вони характерні для моделей, що мають поздовжньо розташований мотор, вентилятор якого засновує свою роботу на спеціальному пристрої - електронної муфти. Її заклинювання не дозволить елементу вимкнутися, а движок автомобіля при цьому буде не здатний прогрітися до робочого рівня.
На ходу падає стрілка температури. Чи можливі природні причини?
Так, такий варіант профільними фахівцями також допускається. Навіть якщо в роботі систем транспортного засобу не спостерігається ніяких збоїв, при їзді стрілка покажчика все одно може впасти.
Подібні ситуації відбуваються взимку, коли температура повітря опускається до низьких значень. Наприклад, здійснюючи поїздку в сильний мороз по заміських трасах, водій може звернути увагу на значне охолодження мотора.
Справа в тому, що потік крижаного повітря, що надходить в моторний відсік, може перевершувати інтенсивність нагріву движка. При середній швидкості 90-100 км / ч, що є оптимальною для більшості моделей авто, всередині циліндрів прогорає мінімальну кількість пального.
Взаємозв'язок цих факторів пряма: чим менше палива спалахує в камерах згоряння, тим повільніше буде прогріватися ДВС. Якщо ж до цього додати і примусове охолодження, що виникає від зустрічного повітряного потоку, двигун може не просто не нагрітися, а навіть значно знизити свою температуру, в разі попереднього прогріву.
Чи впливає на показання стрілки температури двигуна грубка?
Включення і стале функціонування салонного обігрівача надає не менш сильний вплив, ніж збої в роботі або морози. Воно особливо помітно на малолітражних авто і моделях, оснащених моторами середнього обсягу. Ситуація характерна і для дизелів, не тільки погано прогріваються в режимі холостих обертів, але й швидко остигає при недостатньо інтенсивному русі.
Піч автомашин має спеціальний радіатор, який включений в загальний робочий контур системи охолодження. Коли водій включає обігріву салону, антифриз проходить крізь нього, віддаючи частину тепла. Кількість, яка буде віддано, залежить від виставленої температури обігрівача і режиму його роботи. Чим ці показники вищі, тим більше внутрішній простір машини нагріється.
Якщо ж мотор працює на невисоких оборотах, а також використовується в зимовий час, тепла для повноцінного прогріву охолоджуючої рідини може просто не вистачити. У подібній ситуації двигун не вийде в режим своєї робочої температури.
У всьому винна стрілка
Бувають такі ситуації, коли падіння температури в двигуні відповідно відображається на панелі приладів. Але при цьому на самому моторі температура не падає, а стрілка свідчення охолоджуючої рідини стрімко прагнути до синьої зоні. Це може бути пов'язано з тим, що не працює датчик, або ж сама стрілка на панелі приладів. Щоб діагностувати дану несправність рекомендується звернутися в автосервіс.
Якщо ж все-таки Автомобіліст вирішив сам розібратися в даній несправності, варто враховувати, що доведеться виконати деякі операції. В першу чергу необхідно від'єднати колодку проводів датчика охолоджувальної рідини і перевірити її опір. Якщо опір досить низька, або його взагалі немає, то швидше за все помер датчик. На сучасних автомобілях - це можна зрозуміти, підключившись до електронного блоку управління для діагностики, коди помилок покажуть несправність того, чи іншого датчика.
Стрілка температури на сучасних моторах може вказувати також невірний показник, оскільки це звичайний електронний прилад. Для його діагностики доведеться розкрити панель приладів і подивитися плату управління сигналізаторів приладової панелі. Можливо згорів якийсь діод, або підгоряння в проводці. Також необхідно оглянути проводку від датчика охолоджувальної рідини до самої стрілки. Якщо є ушкодження, необхідно їх усунути.
Щоб автомобіль експлуатувався в оптимальному режимі роботи силового агрегату, потрібно дотримуватися кількох правил:
- Автолюбитель повинен стежити за якістю роботи системи охолодження. Періодичної діагностики вимагає не тільки термостат і вентилятор, а й сам антифриз. Потрібно підтримувати його регламентоване кількість, не допускаючи мінімальних значень. Із системи повинні бути видалені повітряні пробки, і виключені будь-які протікання. Охолоджуюча рідина має потребу і в своєчасній заміні. Величина її функціонального ресурсу визначається індивідуально для кожної окремо взятої моделі.
- Вчинення поїздок в холодну пору року слід проводити в режимі середніх оборотів, які перебувають на рівні 3000-3500. Рекомендується частіше використовувати знижену передачу, особливо при русі по трасі.
- Відмінним рішенням стане утеплення підкапотного простору. Поліпшити ситуацію здатне навіть наявність звичайної картонки, вставленої перед радіатором охолодження. Якщо ж власник обклеїти моторний відсік пористими матеріалами або повстю, двигун стане прогріватися помітно швидше, а його природне охолодження перестане чинити значний вплив на роботу.
Вплив температури на двигун внутрішнього згоряння
Більша кількість теплової енергії відводиться від двигуна в систему охолодження і несеться з відпрацьованими газами. Відведення теплоти в систему охолодження необхідний для того, щоб перешкодити пригорянню поршневих кілець, обгорання сідел клапанів, задиру і заклинювання поршня, розтріскування головок циліндрів, виникненню детонації і т. П. Для відводу теплоти в атмосферу частину ефективної потужності двигуна витрачається на привід вентилятора і водяного насоса. При повітряному охолодженні потужність, що витрачається на привід вентилятора, вище через необхідність подолання великого аеродинамічного опору, створюваного ребрами головок і циліндрів.
Для зниження втрат важливо з'ясувати, скільки теплоти необхідно відводити в систему охолодження двигуна і яким способом можна зменшити цю кількість. Г. Рікардо приділяв цьому питанню велику увагу вже на початковому етапі розвитку двигунобудування. На експериментальному одноциліндровий двигун з роздільними системами охолодження для головки блоку циліндра і для циліндра проводилися досліди з вимірювання кількості теплоти, що відводиться в ці системи. Вимірювалося також кількість теплоти, що відводиться охолодженням протягом окремих фаз робочого циклу.
Час згоряння дуже мало, але за цей період тиск газів значно зростає, а температура досягає 2300-2500 ° С. При згорянні в циліндрі інтенсивно протікають процеси переміщення газів, що сприяють тепловіддачі в стінки циліндра. Теплоту, заощаджену в цій фазі робочого циклу, можна перетворити в корисну роботу протягом наступного ходу розширення. При згорянні близько 6% теплової енергії, що міститься в паливі, втрачається через теплопередачі стінок камери згоряння і циліндра.
Протягом ходу розширення стінок циліндра передається близько 7% теплової енергії палива. При розширенні поршень переміщається з ВМТ в НМТ і поступово звільняє все більшу поверхню стінок циліндра. Однак лише близько 20% теплоти, зекономленої навіть при тривалому за часом ході розширення, можна перетворити в корисну роботу.
Близько половини теплоти, що відводиться в систему охолодження, доводиться на такт випуску. Відпрацьовані гази виходять з циліндра з великою швидкістю і мають високу температуру. Частина їх теплоти відводиться в систему охолодження через випускний клапан і випускний канал головки циліндра. Безпосередньо за клапаном потік газів змінює напрямок майже на 90 °, при цьому виникають вихори, що інтенсифікує тепловіддачу в стінки випускного каналу.
Відпрацьовані гази необхідно відводити з головки циліндра найкоротшим шляхом, так як передана їй їх теплота помітно навантажує систему охолодження і для її відведення в навколишнє повітря потрібне використання частини ефективної потужності двигуна. В період випуску газів в систему охолодження відводиться близько 15% теплоти, що міститься в паливі. Тепловий баланс бензинового двигуна наведено в табл. 8.
Таблиця 8. Тепловий баланс бензинового двигуна
| Частка в балансі% | ||
| 32 | ||
| в фазі згоряння | 6 | |
| при ході розширення | 7 | |
| при ході випуску | 15 | |
| Загальна | 28 | 28 |
| 40 | ||
| Разом | 100 | |
У дизельного двигуна умови відводу теплоти інші. Внаслідок більш високого ступеня стиснення температура газів на виході з циліндра набагато нижче. З цієї причини кількість теплоти, відведений під час ходу випуску, менше і становить в ряді випадків близько 25% всієї теплоти, відданої в систему охолодження.
Тиск і температура газів при згорянні в дизелі вище, ніж у бензинового двигуна. Спільно з великими швидкостями обертання газів в циліндрі ці фактори сприяють збільшенню кількості теплоти, переданої стінок камери згоряння. У процесі згоряння ця величина складає близько 9%, а при ході розширення - 6%. За час ходу випуску в систему охолодження відводиться 9% енергії, що міститься в паливі. Тепловий баланс дизеля наведено в табл. 9.
Таблиця 9. Тепловий баланс дизеля
| Складові теплового балансу | Частка в балансі% | |
| Теплота перетворена в корисну роботу | 45 | |
| Теплота відведена в систему охолодження: | ||
| в фазі згоряння | 8 | |
| при ході розширення | 6 | |
| при ході випуску | 9 | |
| Загальна | 23 | 23 |
| Теплота, що виникає при терті поршня | 2 | |
| Теплота, відведена з відпрацьованими газами і випромінюванням | 30 | |
| Разом | 100 | |
Теплота, що виникає при терті поршня об стінки циліндра у бензинового двигуна, становить близько 1,5%, а у дизеля - близько 2% від її загальної кількості. Ця теплота також відводиться в систему охолодження. Слід врахувати, що наведені приклади представляють результати вимірювань, виконаних на дослідних одноциліндрових двигунах, і не характеризують автомобільні двигуни, а служать лише для демонстрації відмінностей в теплових балансах бензинового двигуна і дизеля.
ТЕПЛОТА, що відводяться В СИСТЕМУ ОХОЛОДЖЕННЯ
Системою охолодження відводиться близько 33% теплової енергії, що міститься в використовуваному паливі. Вже на зорі розвитку двигунів внутрішнього згоряння почалися пошуки шляхів перетворення хоча б частини теплоти, що відводиться в систему охолодження, в ефективну потужність двигуна. У той час широко і досить ефективно застосовувався паровий двигун з теплоізольованим циліндром і тому, природно, прагнули застосувати цей метод теплоізоляції і для двигуна внутрішнього згоряння. Досліди в цьому напрямку проводили великі фахівці, такі, наприклад, як Р. Дизель. Однак в ході дослідів було виявлено значні проблеми.
В застосовується в двигунах внутрішнього згоряння кривошипному механізмі тиск газів на поршень і сила інерції поступально-рухомих мас притискають поршень до стінки циліндра, що при високій швидкості поршня вимагає забезпечення хорошого змащування цієї пари, що треться. Температура масла при цьому не повинна перевищувати допустимих меж, що обмежує в свою чергу температуру стінки циліндра. Для сучасних моторних масел температура стінки циліндра не повинна бути вище 220 ° С, в той час як температура газів в циліндрі при згорянні і час розширення на порядок вище, і циліндр з цієї причини необхідно охолоджувати.
Інша проблема пов'язана з підтриманням нормальної температури випускного клапана. Міцність стали при високій температурі падає. При використанні спеціальних сталей в якості матеріалу випускного клапана його максимально допустима температура може бути доведена до 900 ° С.
Температура газів в циліндрі при згорянні досягає 2500-2800 ° С. Якби теплота, передана стінок камери згоряння і циліндра, що не відводилася, то їх температура перевищила б допустимі значення для матеріалів, з яких виготовлені ці деталі. Багато що залежить від швидкості газу біля стінки. У камері згоряння визначити цю швидкість практично неможливо, так як вона змінюється протягом усього робочого циклу. Точно так само складно визначити перепад температур між стінкою циліндра і повітрям. При впуску і на початку стиснення повітря холодніше, ніж стінки циліндра і камери згоряння, і тому теплота передається від стінки повітрю. Починаючи з деякого положення поршня при такті стиснення, температура повітря стає вище температур стінок, і тепловий потік змінює напрямок, т. Е. Теплота передається від повітря стінок циліндра. Розрахунок теплопередачі при таких умовах є завдання великої складності.
Різкі зміни температури газів в камері згоряння впливають і на температуру стінок, яка на поверхні стінок і глибині менше 1,5-2 мм коливається протягом одного циклу, а глибше - встановлюється на деякому середньому значенні. При розрахунках теплопередачі саме це середнє значення температури потрібно приймати для зовнішньої поверхні стінки циліндра, з якої теплота передається охолоджуючої рідини.
Поверхня камери згоряння включає в себе не тільки примусово охолоджуються деталі, але і днище поршня, тарілки клапанів. Тепловіддача в стінки камери згоряння гальмується шаром нагару, а в стінки циліндра - масляною плівкою. Головки клапанів повинні бути плоскими, щоб під впливом гарячих газів перебувала мінімальна площа. При відкриванні впускний клапан охолоджується потоком входить заряду, тоді як випускний клапан в процесі роботи сильно нагрівається відпрацьованими газами. Стрижень цього клапана захищена від впливу гарячих газів довгою направляючої, яка доходить майже до його тарілки.
Як уже отмечатось, максимальна температура випускного клапана обмежена температурної міцністю матеріалу, з якого він виготовлений. Теплота від клапана відводиться головним чином через його сідло до охолоджувальної голівці циліндра і частково через направляючу, яку також необхідно охолоджувати. У випускних клапанів, які працюють у важких температурних умовах, стрижень робиться порожнистим і частково заповнюється натрієм. Коли клапан нагрітий, натрій знаходиться в рідкому стані, і оскільки він не заповнює всю порожнину стрижня, то при русі клапана інтенсивно переміщується в ній, відводячи тим самим теплоту від тарілки клапана до його направляючої і далі - в охолоджуючу середу.
Тарілка випускного клапана має найменший перепад температур з газами в камері згоряння і тому при згорянні йому передається відносно невелика кількість теплоти. Однак при відкриванні випускного клапана теплопередача від потоку відпрацьованих газів до тарілки клапана досить велика, що і визначає його температуру.
адіабатне ДВИГУНИ
У адиабатного двигуна циліндр і його голівка не охолоджуються, тому втрати теплоти за рахунок охолодження відсутні. Стиснення і розширення в циліндрі відбуваються без теплообміну зі стінками, т. Е. Адиабатически, аналогічно циклу Карно. Практична реалізація такого двигуна пов'язана з наступними труднощами.
Для того щоб теплові потоки між газами і стінками циліндра були відсутні, необхідно рівність в кожен момент часу температури стінок температурі газів. Таке швидке зміна температури стінок протягом циклу практично неможливо. Можна було б реалізувати близький до адіабатне цикл, якщо забезпечити температуру стінок протягом циклу в межах 700-1200 ° С. Матеріал стінок при цьому повинен зберігати працездатність в умовах такої температури, і, крім того, необхідна теплоізоляція стінок для усунення відведення від них тепла.
Забезпечити таку середню температуру стінок циліндра можна лише в його верхній частині, яка не перебуває у зіткненні з головкою поршня і його кільцями і, отже, не вимагає мастила. При цьому, однак, неможливо забезпечити, щоб гарячі гази не омивали змащувати частина стінок циліндра при русі поршня до НМТ. У той же час можна припустити створення циліндра і поршня, котрі мають потреби в мастилі.
Подальші труднощі пов'язані з клапанами. Впускний клапан частково охолоджується вступникам при впуску повітрям. Це охолодження відбувається за рахунок підвищення температури повітря і, в кінцевому підсумку, призводить до втрати частини ефективної потужності і ККД двигуна. Теплопередача до клапану при згорянні може бути значно зменшена теплоізоляцією тарілки клапана.
У випускного клапана температурні умови роботи значно важче. Гарячі гази, що виходять з циліндра, мають в місці переходу тарілки клапана в стрижень високу швидкість і сильно нагрівають клапан. Тому для отримання ефекту адіабатне потрібно теплоізоляція не тільки тарілки клапана, але і його стержня, відведення теплоти від яких здійснюється охолодженням його сідла і направляючої. Крім того, весь випускний канал в головці циліндрів повинен бути теплоізольований з тим, щоб через його стінки голівці не передавалася теплота відпрацьованих газів, що виходять з циліндра.
Як уже згадувалося, при ході стиснення спочатку від гарячих стінок циліндра нагрівається щодо холодне повітря. Далі в процесі стиснення температура повітря підвищується, напрямок теплового потоку змінюється на протилежне, і теплота від нагрітих газів передається стінок циліндра. В кінці адиабатного стиснення досягається більше в порівнянні із стисненням в звичайному двигуні значення температури газу, але на це витрачається більше енергії.
Менше енергії витрачається, коли повітря при стисненні охолоджується, оскільки для стиснення меншого внаслідок охолодження обсягу повітря необхідна менша кількість роботи. Таким чином, охолодження циліндра при стисненні покращує механічний ККД двигуна. При ході розширення, навпаки, доцільно теплоізолювати циліндр або підводити теплоту до заряду на початку цього такту. Два зазначених умови є взаємовиключними і реалізувати їх одночасно неможливо.
Охолодження повітря при стисненні можна здійснити в двигунах внутрішнього згоряння з наддувом, подаючи повітря після його стиснення в компресорі в радіатор проміжного охолодження.
Підведення теплоти до повітря від стінок циліндра на початку розширення можливий в обмеженій мірі. Температури стінок камери згоряння адиабатного двигуна
вельми високі, що викликає нагрівання повітря, що надходить в циліндр. Коефіцієнт наповнення, і, отже, потужність такого двигуна будуть нижче, ніж у двигуна з примусовим охолодженням. Цей недолік усунемо за допомогою турбонаддува, що використовує енергію відпрацьованих газів; частина цієї енергії можна передавати безпосередньо на колінчастий вал двигуна через силову турбіну (турбокомпаундний двигун).
Гарячі стінки камери згоряння адиабатного двигуна забезпечують займання на них палива, що зумовлює використання в такому двигуні дизельного робочого процесу.
При досконалої теплоізоляції камери згоряння і циліндра температура стінок збільшувалася б до досягнення на глибині близько 1,5 мм від поверхні середньої температури циклу, тобто склала б 800-1200 ° С. Такі температурні умови зумовлюють високі вимоги до матеріалів циліндра і деталей, що утворюють камеру згоряння, які повинні бути жаропрочьнимі і володіти теплоізоляційними властивостями.
Циліндр двигуна, як вже зазначалося, має змазуватися. Звичайні масла вживані до температури 220 ° С, при перевищенні якої виникає небезпека пригорання і втрати пружності поршневих кілець. Якщо головка циліндра виготовлена \u200b\u200bз алюмінієвого сплаву, то міцність такої головки швидко зменшується вже при досягненні температури 250-300 ° С Допустима температура розігріву випускного клапана становить 900-1000 ° С. Цими значеннями максимально допустимих температур необхідно керуватися при створенні адиабатного двигуна.
Найбільші успіху в розвитку адіабатних двигунів досягнуті фірмою "Каммінс" (США). Схема адиабатного двигуна, розробленого цією фірмою, зображена на рис. 75, де показані теплоізольовані циліндр, поршень і випускний канал головки циліндра. Температура відпрацьованих газів в теплоизолированной випускній трубі складає 816 ° С. Приєднана до випускній трубі турбіна соедічвена з колінчастим валом через двоступеневий редуктор, забезпечений гасителем крутильних коливань.
Дослідний зразок адиабатного двигуна був створений на базі шестицилиндрового дизеля типу NH. Схематичний поперечний розріз цього двигуна показаний на рис. 76, а його параметри наведені нижче:
Число циліндрів ............................................... 6
Діаметр циліндра, мм ...................................... 139,7
Хід поршня, мм .............................................. ... 152,4
Частота обертання, хв-1 .................................. 1900
Максимальний тиск в циліндрі, МПа ..... 13
Тип мастильного матеріалу ............................... Масло
Середнє ефективне тиск, МПа ............... 1,3
Масове відношення повітря / паливо ............... 27: 1
Температура вхідного повітря, ° С ................ 60
Очікувані результати
Потужність, кВт ............................................. 373
Частота обертання, хв-1 ............................. 1900
Емісія NOx + CHx ..................................... 6,7
Питома витрата палива, г / (кВт год) .......... 170
Термін служби, год ............................................ 250
В конструкції двигуна широко використані скло-керамічні матеріали, що володіють високою жароміцних. Однак до теперішнього часу забезпечити високу якість і тривалий термін служби деталей з цих матеріалів не вдалося.
Велика увага була приділена створенню складеного поршня, показаного на рис. 77. Керамічна головка поршня 1 з'єднана з його підставою 2 спеціальним болтом 3 з шайбою 4 . Максимальна температура в середині головки досягає 930 ° С. Від заснування головка теплоізольована пакетом тонких сталевих прокладок 6 з сильно нерівній і шорсткою поверхнею. Кожен шар пакету через малу поверхні контакту володіє великим тепловим опором. Теплове розширення болта компенсується за допомогою тарілчастих пружин 5.
ОТВОД ТЕПЛОТИ У ПОВІТРЯ І ЙОГО РЕГУЛЮВАННЯ
Відведення теплоти системою охолодження викликає не тільки втрати теплової енергії, яка могла б бути реалізована в роботу, але також і прямі втрати частини ефективної потужності двигуна, внаслідок приводу вентилятора і водяного насоса. Відведення теплоти з охолоджуваної поверхні S в повітряне середовище залежить від перепаду температур між цією поверхнею і повітрям t, А також від коефіцієнта тепловіддачі охолоджуючої поверхні в повітря. Цей коефіцієнт не змінюється скільки-небудь значно незалежно від того, утворена чи охолоджуюча поверхню пластинами радіатора системи рідинного охолодження або ребрами деталей двигуна повітряного охолодження. Перш за все розглянемо двигуни з системами рідинного охолодження.
Кількість охолоджуючого повітря тим менше, чим більше теплоти відводиться в одиницю його обсягу, т. Е. Чим більше буде нагріватися охолоджуючий повітря. Цьог вимагає рівномірного розподілу повітря по всій охолоджуючої поверхні і максимального перепаду температур між нею і повітрям. У радіаторі системи рідинного охолодження створюються умови, при яких охлаждаемая поверхня має майже рівномірне поле температур, а температура охолоджуючого повітря в міру руху його через радіатор поступово підвищується, досягаючи максимального значення на виході з нього. Перепад температур між повітрям і охолоджуваною поверхнею поступово зменшується. На перший погляд здається, що кращий глибокий радіатор, оскільки в ньому повітря нагрівається більше, проте слід розглянути це питання з енергетичної позиції.
Коефіцієнт тепловіддачі поверхні а являє собою складну залежність від ряду факторів, однак найбільший вплив на його величину надає швидкість потоку повітря близько охолоджуючої поверхні. Зв'язок між ними можна представити співвідношенням ~ 0,6-0,7.
При збільшенні швидкості повітря на 10%, відведення теплоти збільшується лише на 7%. Швидкість потоку повітря пропорційна його витраті через радіатор. Якщо конструкція радіатора не змінюється, то для збільшення кількості відведеного тепла на 7% слід збільшити частоту обертання вентилятора на 10%, оскільки подається вентилятором кількість повітря прямо залежить від неї. Тиск повітря при постійній площі перетину вентилятора залежить від другого ступеня його частоти обертання, а потужність приводу вентилятора пропорційна її третього ступеня. Таким чином, при збільшенні частоти обертання вентилятора на 10% потужність приводу збільшується на 33%, що має негативні наслідки, які проявляються в погіршенні механічного ККД двигуна.
Залежність кількості охолоджуючого повітря від кількості відводиться теплоти, а також від збільшення тиску повітря і потужності приводу вентилятора показана на рис. 78. З позиції зменшення витрат енергії ця номограма дуже корисна. Якщо лобову поверхню радіатора збільшити на 7%, то пропорційно збільшуються площі прохідного перетину і охолоджуючої поверхні радіатора, і, отже, кількість охолоджуючого повітря досить збільшити на ті ж 7%, щоб відвести на 7% більше теплоти, т. Е. Як і в описаному вище прикладі. При цьому потужність вентилятора підвищується лише на 22,5% замість 33%. Якщо витрата повітря через вентилятор V z збільшити на 20% (точка і стрілки 1 на рис. 78), то кількість відведення та теплоти Q, пропорційне V z0,3 , зросте на 11,5%. Зміна витрати повітря збільшенням частоти обертання вентилятора на ті ж 20% призводить до збільшення тиску повітряного потоку на 44%, а потужність приводу вентилятора - на 72,8%. Для збільшення тепловідведення на 20% тим же шляхом слід збільшити витрату повітря на 35,5% (точка і пунктирні стрілки 2 на рис. 78), що тягне за собою зростання тиску повітря на 84%, а потужність приводу вентилятора - майже в 2,5 рази (на 149%). Тому вигідніше збільшити лобову поверхню радіатора, ніж при тих же радіаторі і вентиляторі збільшувати частоту обертання останнього.
Якщо радіатор розділити по його глибині на дві рівні частини, то в передній перепад температур t1 буде більше, ніж в задній t2 , І, отже, передня частина радіатора буде охолоджуватися повітрям сильніше. Два радіатора, одержувані при поділі одного на дві частини, по глибині матимуть менші опору потоку охолоджуючого повітря. Тому дуже глибокий радіатор невигідний для застосування.
Радіатор повинен бути виготовлений з матеріалу з хорошою теплопровідністю і його опору потокам повітря і рідини повинні бути невеликими. Маса радіатора і обсяг знаходиться в ньому рідини повинні бути також невеликі, так як це важливо для швидкого прогрівання двигуна і включення системи опалення в автомобілі. Для сучасних легкових автомобілів з низькою передньою частиною кузова потрібні радіатори невеликої висоти.
Для мінімізації енергетичних витрат важливо досягти високого ККД вентилятора, для чого використовується направляючий повітропровід, що має невеликий зазор по зовнішньому діаметру крильчатки вентилятора. Крильчатка вентилятора часто робиться з пластмаси, що гарантує точну форму профілю лопаток, їх гладку поверхню і малу гучність. При високих частотах обертання такі лопатки деформуються, знижуючи тим самим витрата повітря, що дуже доцільно.
Висока температура радіатора підвищує його ККД. Тому в даний час застосовують герметичні радіатори, надлишковий тиск в яких підвищує температуру кипіння охолоджуючої рідини і, отже, температуру всієї матриці радіатора, який може бути менших розмірів і більш легким.
Для двигуна повітряного охолодження діють ті ж закономірності, що й для двигуна рідинного охолодження. Різниця полягає в тому, що ребра деталей двигуна повітряного охолодження мають більш високу температуру, ніж матриця радіатора, тому на відведення такої ж кількості теплоти при повітряному охолодженні потрібна менша кількість охолоджуючого повітря. Ця перевага має велике значення при експлуатації автомобілів в умовах жаркого клімату. У табл. 10 наведені режими роботи двигунів рідинного і повітряного охолодження при зміні температури навколишнього повітря від 0 до 50 ° С. Для двигуна рідинного охолодження ступінь охолодження зменшується на 45,5%, тоді як у двигуна повітряного охолодження в тих же умовах - тільки на 27,8%. Для двигуна рідинного охолодження це означає більш громіздку і більше енергоємну систему охолодження. Для двигуна повітряного охолодження достатня невелика переробка вентилятора.
Таблиця 10. Ефективність охолодження двигуна системами рідинного і повітряного охолодження в залежності від зовнішньої температури
| Вид охолодження, ° С | рідинна | повітряна |
| Температура охолоджуючої поверхні | 110 | 180 |
| 0 | 0 | |
| різниця температур | 110 | 180 |
| Температура охолоджуючого повітря | 50 | 50 |
| різниця температур | 60 | 130 |
| Погіршення режиму при температурі 50 ° С в порівнянні з 0 ° С,% | 45,5 | 27,5 |
Регулювання охолодження дає велику економію енергії. Охолодження можна відрегулювати так, щоб воно було задовільним при максимальному навантаженні двигуна і при максимальній температурі повітря. Але при більш низькій температурі навколишнього середовища і частковому навантаженні двигуна таке охолодження, природно, є надмірною і для зниження зносу і механічного ККД двигуна необхідно знову відрегулювати охолодження. У двигунів рідинного охолодження це зазвичай роблять дросселированием потоку рідини через радіатор. В цьому випадку споживана потужність вентилятора не змінюється, і з енергетичної точки зору таке регулювання не приносить ніякої вигоди. Наприклад, для охолодження двигуна потужністю 50 кВт при температурі 30 ° С витрачається 2,5 кВт, а при температурі 0 ° С і навантаженні двигуна 50% від повної треба було б лише 0,23 кВт. За умови, що необхідна кількість охолоджуючого повітря пропорційно перепаду температур між поверхнею радіатора і повітрям, при 50% -ної навантаженні двигуна для його охолодження досить також половини витрати повітря, регульованого частотою обертання вентилятора. Економія енергії і, отже, витрати палива при такому регулюванні може бути досить значною.
Тому регулювання охолодження в даний час приділяється особлива увага. Найбільш зручний регулювання - зміна частоти обертання вентилятора, але для його здійснення необхідно мати регульований привід.
Відключення приводу вентилятора переслідує ту ж мету, що і зміна його частоти обертання. Для цього зручно використовувати електромагнітну муфту, що включається термостатом в залежності від температури рідини (або головки циліндра). Якщо муфта включається термостатом, то регулювання здійснюється не тільки в залежності від температури навколишнього середовища, а й від навантаження двигуна, що вельми ефективно.
Вимкнення вентилятора за допомогою вязкостной муфти проводиться декількома способами. Як приклад розглянемо вязкостную муфту фірми "Холсет" (США).
При найбільш простому способі використовується обмеження переданого моменту. Оскільки з ростом частоти обертання момент, необхідний для обертання вентилятора, збільшується, то збільшується також і пробуксовка вязкостной муфти, і при деякому значенні споживаної потужності вентилятора його частота обертання вже більше не підвищується (рис. 79). Частота обертання вентилятора з нерегульованим кліноремеіним приводом від колінчастого вала двигуна збільшується пропорційно частоті обертання двигуна (крива Б), тоді як у разі приводу вентилятора через вязкостную муфту його частота зростає лише до величини hv
\u003d 2500 хв-1 (крива обертання Анерегульованим приводом, зростає пропорційно третього ).
Потужність, споживана вентилятором з ступеня частоти обертання і на режимі максимальної потужності становить 8,8 кВт. У вентилятора, що приводиться через вязкостную муфтувращенія збільшується, як зазначено, до 2500 хв-1, і, частота необхідна на режимі потужність вентилятора становить 2 кВт. Оскільки в вязкостной муфті при 50% -ної пробуксовці в теплоту додатково розсіюється ще 1 кВт, то загальна економія енергії на приводі вентилятора становить знижує витрату палива. Таке регулювання охолодження 5,8 кВт, однак і це можна вважати удовлетворітельнимрасход повітря не росте прямо пропорційно частоті, так як обертання двигуна Іскорості руху зберігається зростання швидкісного напору, крім того, з підвищенням повітря, що сприяє охолодженню двигуна.
Інший тип вязкостной муфти фірми "Холсет" забезпечує регулювання теплового режиму двигуна додатково і від температури навколишнього повітря (рис. 80). Від раніше розглянутої ця муфта відрізняється тим, що обсяг рідини в ній, передає крутний момент, залежить від зовнішньої температури. Картер муфти розділений перегородкою 5 (див. Рис. 81) на камеру ведучого диска 1 і камеру резервного обсягу 2, з'єднані між собою клапаном 3. Клапан управляється біметалічним термостатом 4 в залежності від температури повітря. Черпачок 6, притиснутий до диска пружиною, служить для скидання рідини з диска і прискорення перетікання її з камери диска в обсяг 2. Частина рідини постійно знаходиться в камері ведучого диска і здатна передавати вентилятору невеликий крутний момент. При температурі повітря 40 ° С, наприклад, максимальна частота обертання вентилятора становить 1300 хв-1, а споживана потужність - не більше 0,7 кВт. При нагріванні двигуна біметалічний термостат відкриває клапан, і частина рідини надходить в камеру ведучого диска. У міру зростання прохідного перетину клапана надходить в камеру диска кількість рідини збільшується і при повному відкритті клапана рівень її в обох половинах однаковий. Зміна переданого при цьому крутного моменту і частоти обертання вентилятора показано кривими А 2 (див. Рис. 80).
В цьому випадку максимальна частота обертання вептілятора становить 3200 хв-1, а споживана потужність збільшується до 3,8 кВт. Максимальна відкриття клапана відповідає температурі навколишнього повітря, що дорівнює 65 ° С. Описаним регулюванням охолодження двигуна можна знизити витрату палива в легкових автомобілях на 1 л / 100 км.
Потужні двигуни мають ще більш досконалі системи регулювання охолодження. У дизелів "Татра" привід вентилятора здійснюється через гідромуфту, обсяг масла в якій регулюється термостатом в залежності від температур відпрацьованих газів і навколишнього повітря. Показання датчика температури у випускному трубопроводі залежать в основному від навантаження двигуна і, в меншій мірі, від його частоти обертання. Запізнення цього датчика дуже невелика, тому регулювання охолодження з його допомогою досконаліше.
Регулювання охолодження частотою обертання вентилятора відносно легко здійснюється в двигуні внутрішнього згоряння будь-якого типу; при цьому зменшується загальний шум, видаваний автомобілем.
При передньому розташуванні двигуна поперек автомобіля механічний привід вентилятора викликає деякі труднощі і тому частіше застосовують електропривод вентилятора. У цьому випадку регулювання охолодження досить спрощується. Вентилятор з електроприводом не повинен мати великий споживаної потужності, тому прагнуть використовувати ефект охолодження швидкісним напором повітря при русі автомобіля, оскільки зі збільшенням навантаження двигуна швидкість легкового автомобіля і, отже, швидкісний натиск оточуючого його повітря зростають. Електропривод вентилятора працює тільки протягом короткого часу при подоланні затяжних підйомів або ж при високій температурі навколишнього повітря. Витрата охолоджуючого повітря через вентилятор регулюється включенням електродвигуна за допомогою термостата,
Якщо радіатор розташований далеко від двигуна, наприклад в автобусі з заднім розташуванням двигуна, то вентилятор зазвичай має гідрооб'ємна привід. Наведений двигуном автобуса гидронасос подає масло під тиском поршневий гідродвигун з хитається шайбою. Такий привід більш складний і його застосування доцільно в двигунах великої потужності.
ІСпользование ТЕПЛОТИ, що буря з відпрацьованими газами
Відпрацьовані гази двигуна містять значну кількість теплової енергії. Її можна використовувати, наприклад, для опалення автомобіля. Підігрів повітря відпрацьованими газами в газовоздушном теплообміннику системи опалення небезпечний через можливість прогорання або негерметичність його трубок. Тому для перенесення теплоти використовують масло або іншу рідину, що не, що нагрівається відпрацьованими газами.
Ще доцільніше використовувати відпрацьовані гази для приводу вентилятора системи охолодження. При великих навантаженнях двигуна відпрацьовані гази мають найбільш високу температуру, а двигун потребує інтенсивного охолоджування. Тому використання турбіни, що працює на відпрацьованих газах для приводу вентилятора системи охолодження, вельми доцільно і в даний час починає знаходити застосування. Такий привід може автоматично регулювати охолодження, хоча це досить дорого.
Більш прийнятним з точки зору вартості можна вважати Ежекційна охолодження. Відпрацьовані гази відсмоктують з ежектора охолоджуючий повітря, який змішується з ними і відводиться в атмосферу. Такий пристрій дешево і надійно, так як не має ніяких рухомих деталей. Приклад ежекционной системи охолодження показаний на рис. 82.
Ежекційна охолодження було з успіхом застосовано в гоночних автомобілях "Татра" і в деяких спеціалізованих автомобілях. Недоліком системи є високий рівень шуму, так як відпрацьовані гази необхідно безпосередньо підводити в ежектор, а розташування глушника шуму за ним викликає труднощі.
Основним способом використання енергії відпрацьованих газів служить їх розширення в турбіні, яка найбільш часто використовується для приводу відцентрового компресора наддуву двигуна Її можна використовувати також і для інших цілей, наприклад, для згаданого приводу вентилятора; в турбокомпаундних двигунах вона безпосередньо з'єднується з колінчастим валом двигуна.
У двигунах, що використовують як паливо водень, теплоту відпрацьованих газів, а також відведену в систему охолодження можна використовувати для нагрівання гідридів, витягуючи тим самим міститься в них водень. При такому способі ця теплота акумулюється в гидридах, і при новій заправці гідридних баків воднем вона може бути використана в різних цілях для нагрівання води, опалення будівель і т. Д.
Енергію відпрацьованих газів частково застосовують для поліпшення наддуву двигуна, використовуючи виникають коливання їх тиску у випускному трубопроводі. Використання коливань тиску полягає в тому, що після відкривання клапана в трубопроводі виникає ударна хвиля тиску, зі швидкістю звуку проходить до відкритого кінця трубопроводу, що відбивається від нього і повертається до клапану у вигляді хвилі розрідження. За час відкритого стану клапана хвиля може кілька разів пройти по трубопроводу. При цьому важливо, щоб до фази закривання випускного клапана до нього прийшла хвиля розрідження, що сприяє очищенню циліндра від відпрацьованих газів і продування його свіжим повітрям. Кожне розгалуження трубопроводу створює перешкоди на шляху хвиль тиску, тому найбільш вигідні умови використання коливань тиску створюються в разі індивідуальних трубопроводів від кожного циліндра, що мають рівні довжини на ділянці від головки циліндра до об'єднання в загальний трубопровід.
Швидкість звуку не залежить від частоти обертання двигуна, тому у всьому її діапазоні чергуються сприятливі і несприятливі з точки зору наповнення і очищення циліндрів умови режиму роботи. На кривих потужності двигуна Ne і його середнього ефективного тиску pe це проявляється у вигляді "горбів", що добре видно на рис. 83, де зображена зовнішня швидкісна характеристика двигуна гоночного автомобіля фірми "Порше". Коливання тиску використовують також і у впускному трубопроводі: прихід хвилі тиску до впускного клапана, особливо в фазі його закривання, сприяє продування і очищення камери згоряння.
Якщо із загальним випускним трубопроводом з'єднується кілька циліндрів двигуна, то число їх повинно бути не більше трьох, а чергування роботи - рівномірним з тим, щоб випуск відпрацьованих газів з одного циліндра не перекривають і не впливав на процес випуску з іншого. У рядного чотирициліндрового двигуна два крайніх циліндра зазвичай об'єднуються в одну загальну гілку, а два середніх циліндра - в іншу. У рядного шестициліндрового двигуна ці гілки утворені відповідно трьома передніми і трьома задніми циліндрами. Кожна з гілок має самостійний вхід в глушник, або на деякій відстані від нього гілки об'єднуються і організовується їх загальний введення в глушник.
турбонаддувом ДВИГУНА
При турбонаддуве енергія відпрацьованих газів використовується в турбіні, що приводить відцентровий компресор для подачі повітря в двигун. Велика маса повітря, що надходить у двигун під тиском з компресора, сприяє підвищенню питомої потужності двигуна і Сніжани його питомої витрати палива. Двоступеневі стиснення повітря і розширення відпрацьованих газів, що здійснюються в двигуні з турбонаддувом, дозволяють отримати високий індикаторний ККД двигуна.
Якщо для наддуву застосовують компресор з механічним приводом від двигуна, то внаслідок подачі більшої кількості повітря зростає лише потужність двигуна. При збереженні такту розширення тільки в циліндрах двигуна відпрацьовані гази виходять з нього під високим тиском, і якщо вони в подальшому не використовуються, то це викликає підвищення питомої витрати палива.
Ступінь наддуву залежить від призначення двигуна. При більш високому тиску наддуву повітря в компресорі сильно нагрівається і на вході в двигун його необхідно охолоджувати. В даний час турбонаддув застосовують в основному в дизелях, підвищення потужності яких на 25-30% не вимагає великого форсування по тиску наддуву, і охолодження двигуна при цьому не викликає труднощів. Такий спосіб підвищення потужності дизеля застосовують найчастіше.
Збільшення кількості що надходить у двигун повітря дозволяє працювати на бідних сумішах, що знижує вихід СО і СНx. Так як потужність дизелів регулюється подачею палива, а подається повітря не дросселируется, то при часткових навантаженнях використовуються дуже бідні суміші, що сприяє зменшенню питомої витрати палива. Займання бідної суміші в дизелях з наддувом не викликає труднощів, так як воно відбувається при високих температурах повітря. Продування камери згоряння подається повітрям в дизелях допустима, оскільки на відміну від бензинового двигуна виносу палива в випускний трубопровід в них немає.
У дизеля з наддувом ступінь стиснення зазвичай дещо зменшують з тим, щоб обмежити максимальний тиск в циліндрі. Більш високі тиску і температура повітря в кінці такту стиснення зменшують затримку займання, і жорсткість роботи двигуна стає менше.
У дизелів з турбонаддувом певні проблеми існують при необхідності швидко збільшити потужність двигуна. При натисканні на педаль управління зростання подачі повітря внаслідок інерції турбокомпресора відстає від збільшення подачі палива, тому спочатку двигун працює на збагаченій суміші з підвищеною димністю і лише через деякий проміжок часу склад суміші досягає необхідного значення. Тривалість цього періоду залежить від моменту інерції ротора турбокомпресора. Спроба звести інерцію ротора до мінімуму зменшенням діаметра робочих коліс турбіни і компресора тягне за собою необхідність збільшення частоти обертання турбокомпресора до 100 000 хв. Такі турбокомпресори мають невеликі розміри і масу, приклад одного з них наведено на рис. 84. Щоб отримати високі обороти турбокомпресора, застосовують турбіни центростремительного типу. Теплопередача від корпусу турбіни до корпусу компресора повинна бути мінімальна, тому обидва корпуси добре теплоізолюючих один від одного. Залежно від числа циліндрів і схеми об'єднання їх випускних трубопроводів турбіни мають один або два входи для відпрацьованих газів. Дизель з наддувом завдяки утилізації енергії відпрацьованих газів дає можливість досягти дуже низької питомої витрати палива. Нагадаємо, що теплові баланси двигунів внутрішнього згоряння приведені в табл. 1 і 2.
Для легкових автомобілів недоліком дизельного двигуна є його велика маса. Тому створювані нові дизелі для легкових автомобілів базуються, в основному, на високооборотних бензинових двигунах так як використання високих частот обертання дозволяє зменшити масу дизеля до прийнятної величини.
Витрата палива у дизеля особливо при русі в місті на режимах часткових навантажень помітно менше. Подальший розвиток цих дизелів пов'язано з турбонаддувом, в умовах якого вміст шкідливих вуглецевих компонентів у відпрацьованих газах знижується, а його робота стає м'якше. Збільшення NOx внаслідок більш високих температур згоряння може бути зменшено рециркуляцією відпрацьованих газів. Вартість дизельного двигуна вище, ніж бензинового, однак при недоліку нафти його застосування більш вигідно, так як з нафти може бути з! словлено більше дизельного палива, ніж високооктанового бензину
Наддувши бензинових двигунів має деякі особливості Температура відпрацьованих raws бензинових двигунів вище, це пред'являє більш високі вимоги до матеріалу лопзток турбіни, однак не є чинником, що обмежує застосування наддуву Займання дуже бідних сумішей бензину з повітрям відбувається з труюм, поз! ому необхідно регулювати колп-чесшо повітря, що подається, що особливо важливо при високих частотах зрощення, коли компресор подає велику кількість повітря. На відміну від дизеля, де регулювання потужності здійснюється зменшенням подачі палива, в бензиновому двигуні аналогічний метод непридатний, так як склад суміші був би на цих режимах настільки бідним, що займання не було б гарантовано. Тому подача повітря на режимах максимальної частоти обертання турбокомпресора повинна бути обмежена. Існує кілька способів такого обмеження. Найбільш часто використовують перепуск відпрацьованих газів через спеціальний канал повз турбіни, тим самим знижуючи частоту обертання турбокомпресора і подається їм кількість повітря. Схема такого регулювання дана на рис. 85.
Відпрацьовані гази з двигуна надходять в випускний трубопровід 10, а потім через турбіну 11 в глушник шуму випуску 12. При максимальному навантаженні і високій частоті обертання двигуна тиск у впускному каналі 7, передане через канал 15, відкриває клапан перепуску 13, через який відпрацьовані гази по трубопроводу 14 надходять безпосередньо в глушник, минаючи турбіну. В турбіну надходить менша кількість відпрацьованих газів, і подача повітря компресором 4 у впускний канал 6 зменшується в 6-8 разів. (Конструкція клапана перепуску відпрацьованих газів показана на рис. 86.)
Розглянутий спосіб регулювання подачі повітря має той недолік, що зниження потужності двигуна при відпуску педалі управління двигуном не відбувається миттєво і триває, крім того, довше, ніж падає частота обертання турбіни. При повторному натисканні на педаль необхідна потужність досягається з затримкою, частота обертання турбокомпресора повільно наростає навіть після закриття перепускного каналу. Така затримка небажана під час жвавого руху, при необхідності швидкого гальмування і наступному швидкому розгоні автомобіля. Тому застосовують інший спосіб регулювання, а саме використовують додатково і перепуск повітря через байпасний канал компресора 4.
Повітря надходить у двигун через повітряний фільтр 1, регулятор складу суміші 2 фірми "Бош" (ФРН) типу "К-Джетроник", керуючий паливними форсунками 9 (див. гл. 13), потім у впускний трубопровід 5, і далі компресором 4 нагнітається у впускні канали та патрубки 6 -5. При швидкому відпуску педалі управління компресор ще обертається, і для зниження тиску в каналі 6 перепускний клапан 5 вакуумом у впускному патрубку 8 відкривається, і повітря під тиском з каналу 6 через той же клапан 5 перепускается знову в трубопровід 3 перед компресором. Вирівнювання тиску відбувається дуже швидко, частота обертання турбокомпресора при цьому різко не падає. При наступному натисканні на педаль перепускний клапан 5 швидко закривається, і компресор з незначною затримкою подає в двигун повітря під тиском. Цей спосіб дозволяє досягти повної потужності двигуна за частки секунди після натискання на педаль управління.
Хорошим прикладом бензинового двигуна з наддувом служить двигун "Порше 911" (ФРН). Спочатку він був безнаддувний шестициліндровий двигун повітряного охолодження з робочим об'ємом 2000 см3, що мав потужність 96 кВт. У варіанті виконання з наддувом його робочий об'єм був збільшений до 3000 см3, а потужність доведена до 220 кВт при відповідність вимогам до рівня шуму і наявності шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Розміри двигуна при цьому не збільшилися. При розробці двигуна "911" був використаний великий досвід, накопичений при створенні двенадцатіцілінд-рового гоночного двигуна моделі "917", який вже в 1978 р розвинув потужність 810 кВт при частоті обертання 7800 хв-1 і тиску наддуву 140 кПа. На двигуні було встановлено два турбокомпресора, його максимальний крутний момент становить 1100 Н · м, а маса - 285 кг. На режимі номінальної потужності двигуна подача повітря трубокомпрессорамі при частоті обертання 90 000 хв-1 становила 0,55 кг / с при температурі повітря 150-160 ° С. При максимальній потужності двигуна температура відпрацьованих газів досягала 1000-1100 ° С. Розгін гоночного автомобіля з місця до 100 км / год з цим двигуном тривав 2,3 с. При створенні цього гоночного двигуна була розроблена досконала система регулювання турбонаддува, що дозволило добитися добрих динамічних якостей автомобіля. Така ж схема регулювання була застосована і в двигуні "Порше 911".
При повному відкритті дросельної заслінки максимальний тиск наддуву в двигуні "Порше 911" клапана перепуску 13 (Див. Рис. 85) обмежується 80 кПа. Це тиск досягається вже при частоті обертання 3000 хв-1, в діапазоні частоти обертання двигуна 3000-5500 хв-1 тиск наддуву постійно і температура повітря за компресором становить 125 ° С. При максимальній потужності двигуна величина продувки досягає 22% від витрати відпрацьованих газів. Запобіжний клапан, встановлений у впускному каналі, відрегульований на тиск 110-140 кПа, і при аварії клапана перепуску відпрацьованих газів він відключає подачу палива, обмежуючи тим самим неконтрольоване збільшення потужності двигуна. При максимальній потужності двигуна подача повітря компресором становить 0,24 кг / с. Ступінь стиснення, що дорівнює в безнаддувних двигуні е \u003d 8,5, при введенні наддуву була знижена до 6,5. Крім того, були застосовані випускні клапани з натрієвих охолодженням, змінені фази газорозподілу і поліпшена система охолодження. При максимальній потужності двигуна частота обертання турбокомпресора становить 90 000 хв-1, при цьому потужність турбіни досягає 26 кВт. Автомобілі, призначені на експорт в США, повинні відповідати вимогам, що пред'являються до змісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах, і тому поставляються в США автомобілі "Порше 911" додатково оснащені двома тепловими реакторами, системою подачі вторинного повітря н відпрацьовані гази для їх допалювання, а також системою рециркуляції відпрацьованих газів. Потужність двигуна "Порше 911" при цьому зменшується до 195 кВт.
У деяких інших системах регулювання турбонаддува, наприклад системі АРСшведської фірми СААБ, для регулювання тиску наддуву застосована електроніка. Обмеження тиску наддуву здійснюється клапаном, що регулює потік відпрацьованих газів через перепускний канал повз турбіни. Клапан відкривається при виникненні розрідження у впускному трубопроводі, величина якого регулюється дросселированием потоку повітря між впускним трубопроводом і входом в компресор.
Регулююча розрідження в перепускному клапані дросельна заслінка має електропривод, керований електронним пристроєм за сигналами датчиків тиску наддуву, детонації і частоти обертання. Датчик детонації є чутливий п'єзоелектричний елемент, встановлений в блоці циліндрів і виявляє виникнення детонаційних стукотів. За сигналом цього датчика обмежується розрідження в керуючої камері перепускного клапана.
Така система регулювання турбонаддува дозволяє забезпечити хороші динамічні якості автомобіля, необхідні, наприклад, для швидкого обгону в умовах інтенсивного руху. Для цього можна швидко перевести двигун в режим роботи з максимальним тиском наддуву, так як детонація в відносно холодному, який працював на частковому навантаженні, двигуні не виникає миттєво. Після закінчення декількох секунд, коли температури зростуть і почне з'являтися детонація, по сигналу датчика детонації керуючий пристрій знизить тиск наддуву.
Гідність такого регулювання полягає в тому, що воно дозволяє використовувати в двигуні без будь-яких змін палива з різними октановими числами. При застосуванні палива з октановим числом 91 двигун СААБ з такою системою регулювання може працювати тривалий час з тиском наддуву до 70 кПа. При цьому ступінь стиснення цього двигуна, в якому застосована апаратура уприскування бензину "Бош К-Джетроник", становить е \u003d 8,5. Успіхи, досягнуті в зменшенні витрат палива легкових автомобілів завдяки застосуванню турбонаддува, сприяли його використання і в мотоциклі-будові. Тут слід назвати японську фірму "Хонда", яка вперше застосувала турбонаддув в двоциліндровому двигуні рідинного охолодження моделі "СХ500 "для підвищення його потужності і зниження витрати палива. Застосування турбокомпресорів в двигунах з малим робочим об'ємом має ряд труднощів, пов'язаних з необхідністю отримання таких же тисків наддуву, як в двигунах великої потужності, але при малих витратах повітря. Тиск наддуву залежить в основному від окружної швидкості колеса компресора, а діаметр цього колеса визначається необхідною подачею повітря. Необхідно, отже, щоб турбокомпресор мав дуже високу частоту обертання при малих діаметрах робочих коліс. Діаметр колеса компресора в згаданому двигуні "Хонда" обсягом 500 см3 становить 48,3 мм і при тиску наддуву 0,13 МПа ротор турбокомпресора обертається з частотою 180 000 хв-1. Максимально допустима частота обертання цього турбокомпресора досягає 240000 хв-1.
При збільшенні тиску наддура вище 0,13 МПа відкривається клапан (рис 87) перепуску відпрацьованих газів, керований тиском наддуву в камері, і частина відпрацьованих газів, минаючи турбіну, направляється в випускний трубопровід, що обмежує подальше збільшення частоти обертання компресора. Відкривання клапана перепуску відбувається при частоті обертання двигуна близько 6500 хв-1 і при подальшому її збільшенні тиск наддуву вже не росте.
Кількість палива, що впорскується форсункою палива, потрібного для отримання необхідного складу суміші, визначається обчислювальним пристроєм, розміщеним над заднім колесом мотоцикла, яке також обробляє інформацію датчиків температур повітря, що поступає і охолоджуючої рідини, датчика положення дросельної заслінки, датчиків тиску повітря, датчика частоти обертання двигуна.
Головна перевага двигуна з наддувом проявляється в зниженні витрат палива при одночасному збільшенні потужності двигуна. Мотоцикл "Хонда СХ500 "з безнаддувних двигуном споживає 4,8 л / 100 км, а той же мотоцикл, оснащений двигуном з наддувом моделі" СХ 500 7Х - лише 4,28 л / 100 км. Маса мотоцикла "Хонда СХ500 Г "становить 248 кг, що більш ніж на 50 кг вище маси мотоциклів аналогічного класу з робочим об'ємом двигуна 500-550 см3 (наприклад, мотоцикл" Кавасакі KZ550 "має масу 190 кг). При цьому, однак, динамічні якості і максимальна швидкість у мотоцикла "Хонда СХ 500 7" такі ж, як у мотоциклів з удвічі більшим робочим об'ємом. Гальмівна система при цьому вдосконалена в зв'язку з ростом швидкісних якостей цього мотоцикла. Двигун "Хонда СХ 500 Г" розрахований на ще більш високі швидкості і його максимальна частота обертання становить 9000 хв-1.
Зниження середньої витрати палива досягається також тим, що при русі мотоцикла з середньою експлуатаційною швидкістю тиск у впускному трубопроводі дорівнює атмосферному або навіть трохи нижче його, т. Е. Використання наддуву досить незначно. Лише при повному відкритті дросельної заслінки і, отже, зростання кількості і температури відпрацьованих газів збільшується частота обертання турбокомпресора, тиск наддуву і завдяки цьому підвищується потужність двигуна. Деяке запізнювання підвищення потужності двигуна при різкому відкритті дросельної заслінки має місце і пов'язане з часом, необхідним для розгону турбокомпресора.
Загальна схема силової установки мотоцикла "Хонда СХ 500 Т "з турбонаддувом показана на рис. 87. Великі коливання тиску повітря у впускному трубопроводі двоциліндрового двигуна з нерівномірним порядком роботи циліндрів гасяться камерою і демпфирующим ресивером. При пуску двигуна клапани запобігають зворотний потік повітря, що викликається великим перекриттям фаз газорозподілу. Система рідинного охолодження виключає подачу гарячого повітря до ніг водія, що має місце при повітряному охолодженні. Обдування радіатора системи охолодження здійснюється вентилятором з електроприводом. Короткий випускний трубопровід до турбіни знижує втрати енергії відпрацьованих газів і сприяє зменшенню витрати палива. Максимальна швидкість мотоцикла 177 км / ч.
Наддуву ТИПУ "КОМПРЕКС"
Дуже цікавий спосіб наддуву "Компрекс", розроблений фірмою "Браун енд Бовери", Швейцарія, полягає в використанні тиску відпрацьованих газів, що діють безпосередньо на потік повітря, що подається в двигун. Отримувані при цьому показники двигуна такі ж, як і в разі використання турбокомпр-сміття, але турбіна і відцентровий компресор, для виготовлення і балансування яких потрібні спеціальні матеріали і високоточне обладнання, відсутні.
Схема системи наддуву типу "Компрекс" представлена \u200b\u200bна рис. 88. Головна деталь - це лопатевий ротор, що обертається в корпусі з частотою обертання, втричі більшою частоти обертання колінчастого вала двигуна Ротор встановлений в корпусі на підшипниках кочення і приводиться в рух клиновим або зубчастим ременем. Привід компресора типу "Компрекс" споживає не більше 2% потужно сті двигуна. Агрегат "Компрекс" не є компресором в повному розумінні слова, оскільки його ротор має тільки канали, паралельні осі обертання. У цих каналах надходить в двигун повітря стискається тиском відпрацьованих газів. Торцеві зазори ротора гарантують розподіл відпрацьованих газів і повітря по каналах ротора. На зовнішньому контурі ротора розташовані радіальні пластини, що мають невеликі зазори з внутрішньою поверхнею корпусу, завдяки чому утворюються канали, закриті з обох сторін торцовими кришками.
У правій кришці є вікна а для подачі відпрацьованих газів від двигуна в корпус агрегату і г -для відводу відпрацьованих газів з корпусу в випускний трубопровід і далі - в атмосферу В лівій кришці є вікна бдля подачі стисненого повітря в двигун і вікна ддля підведення свіжого повітря в корпус з впускного трубопроводу е.Переміщення каналів при обертанні ротора викликає їх почергове з'єднання з випускним і впускним трубопроводами двигуна.
При відкриванні вікна авиникає ударна хвиля тиску, яка зі швидкістю звуку рухається до іншого кінця випускного трубопроводу і одночасно направляє в канал ротора відпрацьовані гази, не змішуючи їх з повітрям. Коли ця хвиля тиску досягне іншого кінця випускного трубопроводу, відкриється вікно б і стислий відпрацьованими газами повітря в каналі ротора буде виштовхнуть з нього в трубопровід вдо двигуна. Однак ще до того, як відпрацьовані гази в цьому каналі ротора наблизяться до його лівого кінця, закриється сну чала вікно а, А потім вікно б, І цей канал ротора з знаходячи щимися в ньому під тиском відпрацьованими газами з обох сторін буде закритий торцевими стінками корпусу.
При подальшому обертанні ротора цей канал з відпрацьовано го газами підійде до вікна гв випускний трубо провід і відпрацьовані гази вийдуть в нього з каналу. При русі каналу повз вікна гвиходять відпрацьовані гази ежектірующее через вікна дсвіже повітря, який, заповнюючи весь канал, обдуває і охолоджує ротор. пройшовши вікна гі д,канал ротора, заповнений свіжим повітрям, знову закривається по обидва боки торцовими стінками корпусу і, таким чином, готовий до наступного циклу. Описаний цикл дуже спрощений в порівнянні з тим, що відбувається в дійсності і здійснюється лише у вузькому діапазоні частоти обертання двигуна. Тут криється причина того, що відомий вже протягом 40 років цей спосіб наддуву не застосовується в автомобілях. За останні 10 років роботами фірми "Браун енд Бовери" наддув "Компрекс" значно вдосконалений, зокрема, введена додаткова камера в торцевій кришці, що забезпечує надійну подачу повітря в широкому діапазоні частоти обертання двигуна, в тому числі і при малих її значеннях.
Наддув "Компрекс" був випробуваний на повнопривідних автомобілях підвищеної прохідності австрійської фірми "Штейер-Даймлер-Пух", на яких були встановлені дизелі "Опель Рекорд 2,3D" і "Мерседес-Бенц 200D".
Перевага способу "Компрекс" в порівнянні з турбонаддувом полягає у відсутності запізнювання підвищення тиску наддуву після натискання на педаль управління. Ефективність системи турбонаддува визначається енергією відпрацьованих газів, що залежать від їх температури. Якщо, наприклад, при повній потужності двигуна температура відпрацьованих газів становить 400 ° С, то взимку для її досягнення потрібно кілька хвилин. Значна перевага способу "Компрекс" полягає також в отриманні великого крутного моменту двигуна при малих частотах обертання, що дозволяє застосовувати коробку передач з меншим числом ступенів.
Швидкий набір потужності двигуна при натисканні на педаль управління особливо бажаний для гоночних автомобілів Італійська фірма "Феррарі" відчуває спосіб наддуву "Компрекс" на своїх гоночних автомобілях, так як при використанні турбонаддува для швидкої реакції двигуна на положення педалі управління при проходженні на гоночному автомобілі поворотів необхідно застосування описаної раніше складної системи регулювання.
При випробуваннях системи наддуву "Компрекс" на шес-тіціліндрових двигунах гоночних автомобілів "Феррарі" класу F1відзначалася дуже швидка реакція двигуна на переміщення педалі управління
Для отримання максимального тиску наддуву на цих двигунах застосована охолодження наддувочного повітря. Через ротор агрегату "Компрекс" проходить більша кількість повітря, ніж потрібно двигуну, так як частина повітря використовується для охолодження агрегату наддуву. Це дуже вигідно для гоночних двигунів, які і на старті працюють практично з повним витратою повітря через радіатор проміжного охолодження. У цих умовах двигун з агрегатом "Компрекс" буде до моменту старту перебувати в кращому температурному стані для виходу на повну потужність.
Застосування агрегату наддуву "Компрекс" замість турбокомпресора знижує шум двигуна, так як він працює при більш низькій частоті обертання. На початковому етапі розробок швидкість ротора була причиною появи шумів такої ж частоти, як і у турбокомпресора. Цей недолік був усунутий нерівномірним кроком каналів по окружності ротора.
При застосуванні системи "Компрекс" зазнає суттєвого спрощення рециркуляція відпрацьованих газів, що застосовується з метою зниження вмісту в них NOx.Зазвичай рециркуляція здійснюється шляхом відбору частини відпрацьованих газів з випускної труби, їх дозування, охолодження і подачі у впускний трубопровід двигуна. В системі "Компрекс" ця схема може бути істотно простіше, оскільки змішання відпрацьованих газів з потоком свіжого повітря і їх охолодження відбувається безпосередньо в каналах ротора.
ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ МЕХАНІЧНОГО ККД двигунів внутрішнього згоряння
Механічний ККД відображає співвідношення між індикаторного і ефективною потужністю двигуна. Різниця цих величин викликано втратами, пов'язаними з передачею газових сил від днища поршня до маховика і з приводом допоміжного обладнання двигуна. Всі ці втрати необхідно точно знати, коли ставиться завдання поліпшити паливну економічність двигуна.
Найбільш значна частина втрат викликана тертям в циліндрі, менша - тертям в добре змащуваних підшипниках і приводом необхідного для роботи двигуна обладнання. Втрати, пов'язані з надходженням повітря в двигун (насосні втрати), вельми важливі, так як вони зростають пропорційно квадрату частоти обертання двигуна.
Втрати потужності, необхідні для приводу устаткування, що забезпечує роботу двигуна, включають потужність на привід механізму газорозподілу, масляного, водяного і паливного насосів, вентилятора системи охолодження. При повітряному охолодженні вентилятор подачі повітря є невід'ємним елементом двигуна при його випробуваннях на стенді, в той час як у двигунів рідинного охолодження при проведенні випробувань вентилятор і радіатор часто відсутні, а для охолодження використовують воду із зовнішнього контуру охолодження. Якщо споживану потужність вентилятора двигуна рідинного охолодження не враховувати, то це дає помітне завищення його економічних і потужних по-показників в порівнянні з двигуном повітряного охолодження.
Інші втрати на привід обладнання пов'язані з генератором, Пневмокомпресор, гідронасосами, необхідними для освітлення, забезпечення роботи приладів, гальмівної системи, рульового управління автомобіля. При випробуванні двигуна на гальмівному стенді слід точно визначити, що вважати додатковим обладнанням і як його навантажувати, оскільки це необхідно для об'єктивного зіставлення характеристик різних двигунів. Зокрема, це відноситься до системи охолодження масла, яке при русі автомобіля охолоджується обдувом масляного піддону повітрям, відсутнім при випробуваннях на гальмівному стенді. При випробуванні на стенді двигуна без вентилятора не відтворюються умови обдування трубопроводів повітрям, що викликає підвищення температур у впускний трубі і веде до зменшення величини коефіцієнта наповнення і потужності двигуна.
Розміщення повітряного фільтра і величина опору випускного трубопроводу повинні відповідати наявним в умовах роботи двигуна в автомобілі. Ці важливі особливості необхідно враховувати при зіставленні характеристик різних двигунів або одного двигуна, призначеного для застосування в різних умовах, наприклад, в легковому або вантажному автомобілі, тракторі або для приводу стаціонарного генератора, компресора і т. Д.
При зменшенні навантаження двигуна його механічний ККД погіршується, так як абсолютна величина більшості втрат не залежить від навантаження. Наочним прикладом служить робота двигуна без навантаження, т. Е. На холостому ходу, коли механічний ККД дорівнює нулю і вся індикаторна потужність двигуна витрачається на подолання його втрат. При навантаженні двигуна на 50% або менше питома витрата палива в порівнянні з повним навантаженням значно зростає, і тому використовувати для приводу двигун, який має більшу, ніж це потрібно, потужність, абсолютно економічно.
Механічний ККД двигуна залежить від типу використовуваного масла. Застосування в зимовий час масел підвищеної в'язкості призводить до зростання витрати палива. Потужність двигуна при великих висотах над рівнем моря падає внаслідок зменшення тиску атмосфери, проте його втрати практично не змінюються, внаслідок чого питома витрата палива зростає аналогічно тому, як це має місце при частковому навантаженні двигуна.
ВТРАТИ НА ТЕРТЯ В циліндропоршневої групи і підшипників
Найбільші втрати в двигуні викликані тертям поршня в циліндрі. Умови мастила стінок циліндра є далеко незадовільними. Шар масла на стінки циліндра при положенні поршня у НМТ знаходиться під дією гарячих відпрацьованих газів. Для зменшення витрати масла маслос'емноє кільце знімає частину його зі стінки циліндра при русі поршня до НМТ, проте шар мастила між спідницею поршня і циліндром зберігається.
Найбільше тертя викликає перший компресійне кільце. При русі поршня до ВМТ це кільце спирається на нижню поверхню поршневий канавки поршня і тиск, що виникає при стисненні, а потім згорянні робочої суміші, притискає його до стінки циліндра. Оскільки режим змащування поршневого кільця найменш сприятливий внаслідок наявності сухого тертя і високої температури, то втрати на тертя тут є найвищими. Режим змазування другого компресійного кільця є більш сприятливим, але тертя залишається значним. Тому число поршневих кілець також впливає на величину втрат тертя циліндропоршневої групи.
Інший несприятливий фактор - притиснення поршня поблизу ВМТ до стінки циліндра тиском газів і силами інерції зворотно-поступально рухомих мас. У високооборотних автомобільних двигунів інерційні сили мають більшу величину, ніж газові. Тому найбільше навантаження шатунні підшипники мають в ВМТ такту випуску, коли шатун розтягнутий інерційними силами, прикладеними до його верхньої і нижньої головок.
Сила, що діє уздовж шатуна, розкладається на сили, спрямовані по осі циліндра і нормально до його стінці.
Підшипники кочення в двигуні вигідно використовувати при великих діючих на них зусиллях. Доцільно, наприклад, розміщувати "коромисла клапанів на голчастих підшипниках. Як підшипників поршневого пальця в шатуне раніше також застосовували роликові підшипники, особливо в двотактних двигунах великої потужності. Поршень і підшипник поршневого пальця двотактного двигуна в більшості випадків піддаються навантаженні тільки в одному напрямку, тому в підшипнику ковзання не може утворюватися необхідна масляна плівка. Для хорошого змащування підшипника ковзання у верхній голівці шатуна на всій довжині його втулки в цьому випадку виконуються поперечні мастильні канавки, розташовані на такій відстані один від одного, щоб при хитанні в цьому місці могла утворитися масляна плівка .
Для отримання малих втрат на тертя в циліндропоршневої групі необхідно мати поршні, що володіють йебольшой масою, мале число поршневих кілець і захисний шар на спідниці поршня, що оберігає поршень від задирака і заклинювання.
ВТРАТИ ПРИ газообменную
Для наповнення циліндра повітрям необхідно воз-нікнованіе перепаду тисків між циліндром і зовнішнім середовищем. Розрідження в циліндрі при впуску, що діє в напрямку, протилежному руху поршня, і гальмує обертання колінчастого вала, залежить від фаз газорозподілу, діаметра впускного трубопроводу, а також від форми впускного каналу, необхідної, наприклад, для створення обертання повітря в циліндрі. Двигун в цій частині циклу діє як повітряний насос і на його привід витрачається частина індикаторної потужності двигуна.
Для хорошого наповнення циліндра необхідно, щоб втрати тиску, пропорційні квадрату частоти обертання двигуна, при наповненні були найменшими. Аналогічний характер залежності від частоти обертання мають і втрати на тертя в циліндропоршневої групі, і, оскільки цей вид втрат переважає серед інших, загальні втрати також залежать від другого ступеня частоти обертання двигуна. Тому механічний ККД зі зростанням частоти обертання падає, а питома витрата палива погіршується.
При максимальній потужності двигуна механічний ККД зазвичай дорівнює 0,75, і при подальшому підвищенні частоти обертання відбувається швидке падіння ефективної потужності. При максимальній частоті обертання і часткових навантаженнях двигуна ефективний ККД мінімальний.
До втрат при газообміні відносяться і витрати енергії, пов'язані з продувкою картера колінчастого вала. Найбільші втрати мають одноциліндрові чотиритактні двигуни, у яких повітря при кожному ході поршня всмоктується в картер і знову виштовхується з нього. Великий обсяг прокачується через картер повітря мають також двоциліндрові двигуни з V-подібним і оппозітним настроями циліндрів. Цей вид втрат може бути зменшений установкою зворотного клапана, що створює в картері розрідження. Розрідження в картері зменшує також втрати масла, що відбуваються через негерметичність. У багатоциліндрових двигунах, у яких один поршень рухається вниз, а інший вгору, обсяг газу в картері не змінюється, але сусідні секції циліндрів повинні при цьому добре сполучатися одне з одним.
ВТРАТИ НА ПРИВІД допоміжного обладнання ДВИГУНА
Значення втрат на привід обладнання часто недооцінюють, хоча вони дуже впливають на механічний ККД двигуна. Добре досліджені втрати на привід механізму газорозподілу. Робота, що витрачається при відкритті клапана, частково відшкодовується, коли пружина клапана закриває його і тим самим надає руху розподільний вал. Втрати на привід газорозподілу відносно невеликі і з їх зменшенням вдається отримати лише невелику економію витрат потужності на приводи. Іноді розподільний вал розміщують на підшипниках кочення, однак це застосовується тільки па двигунах гоночних автомобілів.
Більшу увагу слід приділити масляного насоса. Якщо розміри насоса і витрата масла через нього завищені, то велика частина масла скидається через редукційний клапан при великому тиску, виникають значні втрати на привід масляного насоса. У той же час необхідно мати резерви в системі змащення для того, щоб забезпечити достатній тиск для змащення підшипників ковзання, в тому числі і для зношених. В цьому випадку мала подача масла насосом приводить до зменшення тиску при низьких частотах обертання двигуна і при його тривалій роботі з повним навантаженням. Редукційний клапан в цих умовах повинен бути закритий і вся подача масла повинна використовуватися для змащення. На привід паливного насоса і розподільника запалювання витрачається невелика потужність. Також мало енергії витрачає генератор змінного струму. Значна частина ефективної потужності, а саме 5-10%, витрачається на привід вентилятора і насоса системи охолодження, необхідних для відведення теплоти з двигуна. Про це вже говорилося. Існує, як можна бачити, наскільки шляхів для поліпшення механічного ККД двигуна.
На приводі паливного насоса і відкриванні форсунок можна заощадити невелику кількість енергії. В дещо більшою мірою це можливо в дизелях.
ВТРАТИ НА ПРИВІД ДОДАТКОВОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ АВТОМОБІЛЯ
Автомобіль зазвичай оснащений також устаткуванням, яке витрачає частину ефективної потужності двигуна, і знижує тим самим іншу її частину, що йде на привід автомобіля. У легковому автомобілі таке обладнання застосовується в обмеженій кількості, в основному це різні підсилювачі, які використовуються для полегшення керування автомобілем, наприклад, рульового управління, приводу зчеплення, гальмівного приводу. Для кліматичної установки автомобіля також потрібна певна енергія, особливо для кондиціонера охолодження повітря. Енергія потрібна також і для різних гідравлічних приводів, наприклад, переміщення сидінь, відкривання вікон, даху і т. Д.
У вантажному автомобілі обсяг додаткового обладнання набагато більше. Зазвичай застосовують гальмівну систему, яка використовує окремий джерело енергії, самосвальні кузова, самопогрузочние пристрою, пристрій для підняття запасних коліс і т. Д У автомобілів спеціального призначення такі механізми застосовуються ще ширше. В загальній витраті палива необхідно враховувати і ці випадки споживання енергії.
Найбільш важливе з цих пристроїв - компресор для створення постійного тиску повітря в пневматичній гальмівній системі Компресор працює постійно, наповнюючи повітряний ресігер, частина повітря з якого через редуктор тиску без подальшого використання виходить в атмосферу. Для гідросистем високого тиску, які обслуговують додаткове обладнання, характерні, головним чином, втрати в редукційних клапанах. У них зазвичай використовують клапан, який після досягнення робочого тиску в гидроаккумуляторе відключає подальшу подачу в нього робочої рідини і управляє байпасній лінією між насосом і баком.
ПОРІВНЯННЯ МЕХАНІЧНИХ ВТРАТ В бензинових і дизельних двигунів
Порівняльні дані по механічним втрат, виміряним в однакових умовах роботи бензинового двигуна зі ступенем стиснення е \u003d 6 і дизеля зі ступенем стиснення е \u003d 16 (табл. 11, А).
Для бензинового двигуна, крім того, в табл. 11, Б проведено також порівняння механічних втрат при повній і частковій навантаженнях.
Таблиця 11.А. Середній тиск різних видів механічних втрат в бензиновому і дизельному двигунах (1600 хв-1), МПа
| вид втрат | Тип двигуна | |
| Бензіновийe \u003d 6 | Дізельнийe \u003d 16 | |
| 0,025 | 0,025 | |
| Привід водяного, масляного і паливного насосів | 0,0072 | 0,0108 |
| Привід механізму газорозподілу | 0,0108 | 0,0108 |
| Втрати в корінних і латунних підшипниках | 0,029 | 0,043 |
| 0,057 | 0,09 | |
| Механічні втрати, всього | 0,129 | 0,18 |
| Середнє ефективне тиск | 0,933 | 0,846 |
| Механічний ККД,% | 87,8 | 82,5 |
Таблиця 11.Б. Середній тиск різних видів механічних втрат в бензиновому двигуні (1600 хв-1, e \u003d 6) при різних навантаженнях, МПа
| вид втрат | ||
| 100 % | 30 % | |
| Насосні втрати (втрати на газообмін) | 0,025 | 0,043 |
| Привід механізму газорозподілу і допоміжного обладнання | 0,0179 |
0,0179 |
| Втрати в кривошипно-шатунного механізму | 0,0287 | 0,0251 |
| Втрати в циліндропоршневої групі | 0,0574 | 0,05 |
| Механічні втрати, всього | 0,129 | 0,136 |
| Середнє ефективне тиск | 0,933 | 0,280 |
| Механічний ККД,% | 87,8 | 67,3 |
Загальні втрати, як видно з табл. 11, відносно невеликі, оскільки були виміряні при низькій частоті обертання (1600 хв-1). Із зростанням швидкості обертання втрати збільшуються внаслідок дії сил інерції поступально рухомих мас, зростаючих пропорційно другого ступеня частоти обертання, а також відносної швидкості в підшипнику, так як в'язкісно тертя також пропорційно квадрату швидкості. Цікаво порівняти також індикаторні діаграми в циліндрах двох розглянутих двигунів (рис. 89). Тиск в циліндрі дизеля трохи вище, ніж у бензинового двигуна, і тривалість його дії більше. Таким чином, гази притискають кільця до стінки циліндра з більшою силою і на більш тривалий час, тому і втрати на тертя в циліндропоршневої групі у дизеля більше. Збільшені в порівнянні з бензиновим двигуном розміри, особливо діаметр підшипників у дизеля, також сприяють збільшенню механічних втрат.
Тертя в підшипниках викликано напруженнями зсуву в масляній плівці. Воно лінійно залежить від розмірів поверхонь тертя і пропорційно квадрату швидкості зсуву. Істотний вплив на тертя надає в'язкість масла і, в меншій мірі, товщина масляної плівки в підшипниках. Тиск газу в циліндрі майже не впливає на втрати в підшипниках.
ВПЛИВ ДІАМЕТРУ ЦИЛІНДРА І ХОДУ ПОРШНЯ НА ЕФЕКТИВНИЙ ККД двигунів внутрішнього згоряння
Раніше мова йшла про зниження до мінімуму втрат теплоти для підвищення індикаторного ККД двигуна, причому в основному йшлося про зменшення відносини поверхні камери згоряння до її обсягу. Обсяг камери згоряння до певної міри вказує на кількість введеної теплоти. Теплотворна здатність надходить заряду в бензиновому двигуні визначена співвідношенням повітря і палива, близьким до стехіометричної. У дизель подається чисте повітря, а подача палива обмежена ступенем неповноти згоряння, при якій у відпрацьованих газах з'являється дим Тому зв'язок кількості введеної теплоти з об'ємом камери згоряння досить очевидна
Найменшим ставленням поверхні до заданого обсягу володіє сфера. Тепло в навколишній простір відводиться поверхнею, тому маса, що має форму кулі, охолоджується в найменшій мірі. Ці очевидні співвідношення враховуються при проектуванні камери згоряння Слід, однак, мати на увазі геометрична подібність деталей двигунів різних розмірів. Як відомо, обсяг сфери дорівнює 4 / 3лR3, а її поверхня - 4лR2, і, таким чином, обсяг зі зростанням діаметра збільшується швидше, ніж поверхня, і, отже, сфера більшого діаметру матиме меншу величину відносини поверхні до об'єму. Якщо поверхні сфери різного діаметру мають однакові перепади температур і однакові коефіцієнти тепловіддачі а, то велика сфера буде охолоджуватися повільніше.
Двигуни геометрично подібні, коли вони мають однакову конструкцію, але відрізняються розмірами. Якщо перший двигун має діаметр циліндра, наприклад, що дорівнює одиниці, а у другого двигуна він в 2рази більше, то все лінійні розміри другого двигуна будуть в 2 рази, поверхні - в 4 рази, а обсяги - в 8 разів більше, ніж у першого двигуна. Повного геометричної подоби досягти, однак, не вдається, тому що розміри, наприклад, свічок запалювання і паливних форсунок однакові у двигунів з різними розмірами діаметра циліндра.
З геометричної подоби можна зробити той висновок, що більший за розмірами циліндр має і більш прийнятне відношення поверхні до об'єму, тому його теплові втрати при охолодженні поверхні в однакових умовах будуть менше.
При визначенні потужності потрібно, однак, враховувати деякі обмежуючі фактори. Потужність двигуна залежить не тільки від розмірів, т. Е. Об'єму циліндрів двигуна, але і від частоти його обертання, а також середнього ефективного тиску. Частота обертання двигуна обмежена максимальною середньою швидкістю поршня, масою і досконалістю конструкції кривошипно-шатунного механізму. Максимальні середні швидкості поршня бензинових двигунів лежать в межах 10-22 м / с. У двигунів легкових автомобілів максимальне значення середньої швидкості поршня досягає 15 м / с, а значення величини середнього ефективного тиску при повному навантаженні близькі до 1 МПа.
Робочий об'єм двигуна і його розміри визначають не тільки геометричні фактори. Наприклад, товщина стінок задана технологією, а не навантаженням на них. Теплопередача через стінки залежить не від їх товщини, а від теплопровідності їх матеріалу, коефіцієнтів тепловіддачі па поверхнях стінок, перепаду температур і т. Д. Коливання тиску газу в трубопроводах поширюються зі швидкістю звуку незалежно від розмірів двигуна, зазори в підшипниках визначаються властивостями масляної плівки і т. д. Деякі висновки щодо впливу геометричних розмірів циліндрів, тим не менш, необхідно зробити.
ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ ЦИЛІНДРА З ВЕЛИКИМ РОБОЧИМ ОБ'ЄМОМ
Циліндр більшого робочого об'єму має менші відносні втрати теплоти в стінки. Це добре підтверджується прикладами стаціонарних дизелів з великими робочими об'ємами циліндрів, які мають дуже низькі питомі витрати палива. Відносно легкових автомобілів це положення, проте, підтверджується не завжди.
Аналіз рівняння потужності двигуна показує, що найбільша потужність двигуна може бути досягнута при невеликій величині ходу поршня.
Середня швидкість поршня може бути обчислена як
де: S -хід поршня, м; n - частота обертання, хв-1.
При обмеженні середньої швидкості поршня З п частота обертання може бути тим вище, чим менше хід поршня. Рівняння потужності чотиритактного двигуна має вигляд
де: Vh - об'єм двигуна, дм3; n - частота обертання, хв-1; pe - середній тиск, МПа.
Отже, потужність двигуна прямо пропорційна частоті його обертання і робочому об'єму. Тим самим до двигуна одночасно пред'являються протилежні вимоги - великий робочий об'єм циліндра і короткий хід. Компромісне рішення полягає в застосуванні більшого числа циліндрів.
Найкращий робочий об'єм одного циліндра високооборотного бензинового двигуна становить 300-500 см3. Двигун з малим числом таких циліндрів погано урівноважений, а з великим - має значні механічні втрати і володіє тому підвищеними питомими витратами палива. Восьмициліндровий двигун робочим об'ємом 3000 см3 має меншу питому витрату палива, ніж двенадцатицилиндровий з таким же робочим об'ємом.
Для досягнення малої витрати палива доцільно застосовувати двигуни з малим числом циліндрів. Однак одноциліндровий двигун з великим робочим об'ємом не знаходить застосування в автомобілях, оскільки його відносна маса велика, а урівноваження можливо лише при використанні спеціальних механізмів, що веде до додаткового збільшення його маси, розмірів і вартості. Крім того, велика нерівномірність крутного моменту одноциліндрового двигуна неприйнятна для трансмісій автомобіля.
Найменше число циліндрів у сучасного автомобільного двигуна дорівнює двом. Такі двигуни з успіхом застосовують в автомобілях особливо малого класу ( "Сітроен 2 CV", "Фіат 126"). З точки зору врівноваженості, які проходитимуть у ряду доцільного застосування варто чотирициліндровий двигун, проте в даний час починають застосовувати і трьохциліндровий двигуни з невеликим робочим об'ємом циліндрів, оскільки вони дозволяють отримати малі витрати палива. Крім того, менша кількість циліндрів спрощує і здешевлює допоміжне обладнання двигуна, так як скорочується число свічок запалювання, форсунок, плунжерних пар паливного насоса високого тиску. При поперечному розташуванні в автомобілі такий двигун має меншу довжину і не обмежує поворот керованих коліс.
Трициліндровий двигун дозволяє використовувати уніфіковані з чотирициліндровим основих деталі: гільзу циліндра, поршневий комплект, шатунний комплект, клапанний механізм. Таке ж рішення можливо і для пятицилиндрового двигуна, що дозволяє при необхідності збільшення мощностного ряду вгору від базового чотирициліндрового двигуна уникнути переходу на більш довгий шестициліндровий.
На переваги застосування дизелів з великим робочим об'ємом циліндра вже було зазначено. Крім зменшення втрат теплоти при згорянні це дає можливість отримати більш компактну камеру згоряння, в якій при помірних ступенях стиснення створюються більш високі температури до моменту уприскування палива. У циліндра з великим робочим об'ємом можна використовувати форсунки з великим числом соплових отворів, що володіють меншою чутливістю до нагарообразованию.
СТАВЛЕННЯ ХОДУ ПОРШНЯ До Діаметр циліндра
Частка від ділення величини ходу поршня S на величину діаметра циліндра Dє широко вживане значення відносини S / D . Точка зору на величину ходу поршня протягом розвитку двигунобудування змінювалася.
На початковому етапі автомобільного двигунобудування діяла так звана податкова формула, на основі якої стягується податок на потужність двигуна розраховувався з урахуванням числа і діаметра D його циліндрів. Класифікація двигунів здійснювалася також відповідно до цієї формули. Тому віддавалася перевага двигунів з великою величиною ходу поршня з тим, щоб збільшити потужність двигуна в рамках даної податкової категорії. Потужність двигуна росла, але збільшення частоти обертання було обмежено допустимої середньою швидкістю поршня. Оскільки механізм газорозподілу двигуна в цей період не був розрахований на високу оборотність, то обмеження частоти обертання швидкістю поршня не мало значення.
Як тільки описана податкова формула була скасована, і класифікація двигунів стала проводиться відповідно до робочим об'ємом циліндра, хід поршня почав різко зменшуватися, що дозволило збільшити частоту обертання і, тим самим, потужність двигуна. В циліндрах більшого діаметра стало можливим застосування клапанів великих розмірів. Тому були створені короткоходниє двигуни з відношенням S / D, що досягає 0,5. Удосконалення механізму газорозподілу, особливо при використанні чотирьох клапанів в циліндрі, дозволило довести номінальну частоту обертання двига-гатель до 10 000 хв-1 і більше, внаслідок чого питома потужність швидко зросла
В даний час велика увага приділяється зменшенню оасхода палива Проведені з цією метою дослідження впливу S / D показали, що короткоходниє двигуни мають підвищеним питомим витратою палива. Це викликано великою поверхнею камери згоряння, а також зниженням механічного ККД двигуна через відносно великий величини поступально рухомих мас деталей шатунно-поршневого комплекту і зростання втрат на приводи допоміжного обладнання При дуже короткому ході потрібно подовжувати шатун з тим, щоб нижня частина спідниці поршня НЕ зачіпає противагами колінчастого валу. Маса поршня при зменшенні його ходу мало зменшилася і при використанні виїмок і вирізів на спідниці поршня Для зниження викиду токсичних речовин у відпрацьованих газах доцільніше застосовувати двигуни з компактною камерою згоряння і з більш довгим ходом поршня Тому в даний час від двигунів з дуже низьким відношенням S / D відмовляються.
Залежність середнього ефективного тиску від відносини S / D у кращих гоночних двигунів, де чітко видно зниження д, при малих відносинах S / D, наведена на рис. 90 В даний час більш вигідним вважається відношення S / D рівне або трохи більше одиниці. Хоча при короткому ході поршня відношення поверхні циліндра до його робочого об'єму при положенні поршня у НМТ менше, ніж у длінноходниє двигунів, нижня зона циліндра не так важлива для відводу теплоти, оскільки температура газів вже помітно падає
Довгохідний двигун має більш вигідне ставлення охолоджувальної поверхні до об'єму камери згоряння при положенні поршня у ВМТ, що більш важливо, так як в цей період циклу температура газів, що визначає втрати теплоти, найбільш висока. Скорочення поверхні тепловіддачі в цій фазі процесу розширення зменшує теплові - втрати і покращує індикаторний ККД двигуна.
ІНШІ ШЛЯХИ ЗНИЖЕННЯ ВИТРАТ ПАЛИВА двигуном
Двигун працює з мінімальною витратою палива лише в певній галузі своєї характеристики.
При експлуатації автомобіля потужність його двигуна повинна завжди розташовуватися на кривій мінімального питомої витрати палива. У легковому автомобілі цю умову можна виконати, якщо використовувати чотирьох- і пятиступенчатую коробку передач, причому чим менше передач, тим важче виконати цю умову. При русі по горизонтальній ділянці дороги двигун не працює в оптимальному режимі навіть при включенні четвертої передачі. Тому для оптимального завантаження двигуна автомобіль необхідно розганяти на вищій передачі аж до досягнення максимально дозволеної законом швидкості. Далі доцільно перевести коробку передач в нейтральне положення, вимкнути двигун і їхати по інерції до падіння швидкості, наприклад до 60 км / ч, а потім слід знову включити двигун і вищу передачу в коробці і при оптимальному натисканні на педаль управління двигуна знову довести швидкість до 90 км / год.
Таке водіння автомобіля способом "розгін-накат". Цей спосіб водіння прийнятний для змагань на економічність, оскільки двигун або працює в економічній області характеристики, або відключений. Однак для реальної експлуатації автомобіля при інтенсивному русі він не придатний.
Цей приклад показує один із способів зменшення витрати палива. Інший спосіб мінімізації питомої витрати палива - обмеження потужності двигуна при збереженні його хорошого механічного ККД. Негативний вплив часткового навантаження на механічний ККД вже було показано і в табл. 11А. Зокрема, з табл. 11.Б видно, що при зниженні навантаження двигуна зі 100% до 30% частка механічних втрат в індикаторної роботі підвищується з 12% до 33%, а механічний ККД падає з 88% до 67%. Величина потужності, що дорівнює 30% від максимальної, може бути досягнута при роботі тільки двох циліндрів чотирициліндрового двигуна.
ВИКЛЮЧЕННЯ ЦИЛИНДРОВ
Якщо при частковому навантаженні багатоциліндрового двигуна вимкнути кілька циліндрів, то інші будуть працювати при більшому навантаженні з найкращим ККД. Так, при роботі восьмицилиндрового двигуна з частковим навантаженням весь об'єм повітря можна направити тільки чотирьом циліндрах, їх навантаження збільшиться вдвічі і ефективний ККД двигуна підвищиться. Охолоджуюча поверхню камер згоряння у чотирьох циліндрів менше, ніж у восьми, тому кількість теплоти, відведений системою охолодження, знижується, і витрата палива може зменшитися на 25%.
Для відключення циліндрів зазвичай застосовують управління приводом клапанів. Якщо обидва клапана закриті, то суміш в циліндр не надходить і постійно знаходиться в ньому газ послідовно стискається і розширюється. Робота, що витрачається при цьому на стиснення газу, знову вивільняється при розширенні в умовах невеликого відведення теплоти стінками циліндра. Механічний і індикаторний ККД в цьому випадку поліпшуються в порівнянні з ККД восьмицилиндрового двигуна, що працює на всіх циліндрах при тій же ефективної потужності.
Цей спосіб виключення циліндрів дуже зручний, так як циліндр відключається автоматично при переході двигуна на часткові навантаження і включається практично миттєво при натисканні на педаль управління. Отже, водій в будь-який момент може використовувати повну потужність двигуна для здійснення обгону або швидкого подолання підйому. При русі в місті економія палива проявляється особливо чітко. У виключених циліндрів відсутні насосні втрати, і вони не подають повітря в випускний трубопровід. При русі під ухил вимкнені циліндри роблять менший опір, гальмування двигуном зменшується, і автомобіль за інерцією проходить більший шлях, як при наявності муфти вільного ходу.
Вимкнення циліндра верхньоклапанної двигуна з нижнім розподільним валом зручно здійснити за допомогою переміщуваного електромагнітом упору коромисла клапана. При виключенні електромагніту клапан залишається закритим, так як коромисло повертається кулачком розподільного валу навколо точки дотику з торцем стрижня клапана, а упор коромисла може при цьому вільно переміщатися.
У восьмицилиндрового двигуна два або чотири циліндри вимикають таким чином, щоб чергування працюючих циліндрів було по можливості рівномірним. У шестициліндровому двигуні вимикається від одного до трьох циліндрів. Зараз проводять також випробування виключення двох циліндрів чотирициліндрового двигуна.
Подібне відключення клапанів у двигуна з верхнім розташуванням розподільного вала важко, тому застосовують інші способи відключення циліндрів. Наприклад, половину циліндрів шестицилиндрового двигуна БМВ (ФРН) вимикають так, що у трьох циліндрів відключаються запалювання і впорскування, а відпрацьовані гази з трьох працюючих циліндрів відводяться через три відключених циліндра і можуть розширюватися далі. Цей процес здійснюється клапанами у впускному і випускному трубопроводах. Перевага цього способу полягає в тому, що вимкнені циліндри постійно нагріваються проходять відпрацьованими газами.
У восьмициліндровому V-образному двигуні "Порше 928" з відключенням циліндрів є дві практично повністю відокремлені один від одного чотирициліндрові V-подібні секції. Кожна з них забезпечена самостійним впускним трубопроводом, механізм газорозподілу при цьому не має відключення приводів клапанів. Один з двигунів відключається закриванням дросельної заслінки і припиненням уприскування бензину, причому випробування показали, що насосні втрати будуть найменшими при невеликому відкритті дросельної заслінки. Дросельні заслінки обох секцій оснащені незалежними приводами. Відключається секція постійно подає невелику кількість повітря в загальний випускний трубопровід, яке використовується для допалювання відпрацьованих газів в термічному реакторі. Це виключає застосування спеціального насоса для подачі вторинного повітря.
При поділі восьмицилиндрового двигуна на дві чотирициліндрові секції одна з них відрегульована на великий момент при низькій частоті обертання і постійно знаходиться в роботі, а друга - на максимальну потужність і включається тільки при необхідності мати потужність, близьку до максимальної. Секції двигуна можуть мати різні фази газорозподілу і різної довжини впускні трубопроводи.
Многопараметровой характеристики двигуна "Порше 928" при роботі восьми (суцільні криві) і чотирьох циліндрів (штрихові криві) наведені на рис. 91. Області поліпшення питомої витрати палива за рахунок відключення чотирьох циліндрів двигуна заштриховані. Наприклад, при частоті обертання 2000 хв-1 і моменті, що крутить 80 Н · м питома витрата палива при роботі всіх восьми циліндрів двигуна становить 400 г / (кВт · год), тоді як у двигуна з чотирма вимкненими циліндрами на тому ж режимі он трохи більше 350 г / (кВт · год).
Ще більш помітну економію палива можна отримати при- низьких швидкостях руху автомобіля. Різниця у витраті палива при рівномірному русі по горизонтальній ділянці шосе дана на рис. 92. У двигуна з чотирма вимкненими циліндрами (пунктирна крива) при швидкості 40 км / год витрата палива падає на 25%: з 8 до 6 л / 100 км.
Але економія палива в двигуні може досягатися не тільки вимиканням циліндрів. У нових двигунах "Порше" моделі ТОР( "Термодинамічно оптимізований двигун" Порше ") були реалізовані всі можливі способи підвищення індикаторного ККД традиційного бензинового двигуна. Ступінь стиснення була підвищена спочатку з 8,5 до 10, а потім, зміною форми днища поршня, - до 12,5 при одночасному підвищенні інтенсивності обертання заряду в циліндрі при такті стиснення. У модернізованих таким чином двигунів "Порше 924" і "Порше 928" питома витрата палива знизилася на 6-12%. Застосована при цьому електронна система запалювання, встановлюючи оптимальний кут випередження запалювання залежно від частоти обертання і навантаження двигуна, підвищує ККД двигуна при його роботі на часткових навантаженнях в умовах сумішей бідного складу, а також виключає детонацію на режимах максимальних навантажень.
Вимкнення двигуна при зупинках автомобіля на перехрестях також приносить економію палива. При роботі двигуна на холостому ходу з частотою обертання нижче, ніж 1000 хв-1, і температурі охолоджуючої рідини понад 40 ° С через 3,5 с запалювання вимикається. Двигун знову пускається лише після натискання на педаль управління. Це знижує витрату палива на 25-35%, і, отже, бензинові двигуни "Порше" моделі ТОРв частині паливної економічності можуть конкурувати з дизелями.
Фірма "Мерсед-Бенц" також зробила спроби знизити витрату палива в восьмициліндровому двигуні методом відключення циліндрів. Відключення досягалося за допомогою електромагнітного пристрою, що розриває жорстку зв'язок між кулачком і клапаном. В умовах руху по місту витрата палива при цьому знизився на 32%.
Плазмові ЗАПАЛЮВАННЯ
Знизити витрату палива і вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах можна використанням бідних сумішей, проте їх іскрове запалювання викликає труднощі. Гарантоване запалювання іскровим розрядом має місце при масовому співвідношенні повітря / паливо не більше 17. При бідніших складах виникають пропуски займання, що веде до зростання вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах.
При створенні розшарованого заряду в циліндрі можна забезпечити спалювання дуже бідної суміші за умови, що в зоні свічки запалювання утворюється суміш багатого складу. Багата суміш легко запалюється, і факел полум'я, викинутий в обсяг камери згоряння, запалює знаходиться, там бідну суміш.
В останні роки ведуться дослідження по займання бідних сумішей плазмовим і лазерним способами, при яких в камері згоряння утворюється кілька вогнищ горіння, так як запалення суміші відбувається одночасно в різних зонах камери. Внаслідок цього відпадають проблеми детонації, і ступінь стиснення можна підвищити навіть при використанні низькооктанового палива. При цьому можливе займання бідних сумішей з співвідношенням повітря / паливо, що досягає 27.
При плазмовому запалюванні електрична дуга утворює високу концентрацію електричної енергії в ионизованном искровом проміжку досить великого обсягу. При цьому в дузі розвиваються температури до 40 000 ° С, т. Е. Створюються умови, аналогічні дугового зварювання.
Реалізувати плазмовий спосіб запалювання в двигуні внутрішнього згоряння, однак, не так просто. Плазмова свічка запалювання зображена на рис. 93. Під центральним електродом в ізоляторі свічки виконана невелика камера. При виникненні електричного розряду великої довжини між центральним електродом і корпусом свічки газ в камері нагрівається до дуже високої температури і, розширюючись, виходить через отвір в корпусі свічки в камеру згоряння. Утворюється плазмовий факел довжиною близько 6 мм, завдяки чому виникає кілька вогнищ полум'я, що сприяють запаленню і згорянню бідної суміші.
Інший тип системи плазмового запалювання використовує невеликий насос високого тиску, який подає повітря до електродів в момент утворення дугового розряду. Утворений при розряді між електродами обсяг іонізованого повітря надходить в камеру згоряння.
Ці способи досить складні і не застосовуються в автомобільних двигунах. Тому був розроблений інший метод, при якому свічка запалювання утворює постійну електричну дугу протягом 30 ° кута повороту колінчастого вала. В цьому випадку вивільняється до 20 МДж енергії, що набагато більше, ніж при звичайному искровом розряді. Відомо, що якщо при искровом запалюванні не утворюється достатньої кількості енергії, то суміш не запалюється.
Плазмова дуга в поєднанні з обертанням заряду в камері згоряння утворює велику поверхню займання, так як прі.етом форма і розмір плазмової дуги в значній мірі змінюються. Поряд зі збільшенням тривалості періоду займання це означає також наявність високої вивільняється для нього енергії.
На відміну від стандартної системи у вторинному контурі плазмової системи запалювання діє постійне напругу 3000 В. В момент розряду в искровом проміжку свічки виникає звичайна іскра. При цьому опір на електродах свічки зменшується, і постійна напруга 3000 В утворює дугу, запалену в момент розряду. Для підтримки дуги досить напруги близько 900 В.
Плазмова система запалювання відрізняється від стандартної вбудованим високочастотним (12 кГц) переривачем постійного струму з напругою 12 В. Індукційна котушка підвищує напругу до 3000 В, яке далі випрямляється. Слід зазначити, що тривалий дугового розряд на свічці запалювання істотно знижує термін її експлуатації.
При плазмовому запалюванні полум'я поширюється по камері згоряння швидше, тому потрібно відповідну зміну кута випередження запалювання. Випробування системи плазмового запалювання на автомобілі "Форд Пінто" (США) з робочим об'ємом двигуна 2300 см3 і автоматичною коробкою передач дали результати, наведені в табл. 12.
Таблиця 12. Результати випробувань системи плазмового запалювання на автомобілі "Форд Пінто"
| Тип системи запалювання | Викид токсічнихвеществ, г | Витрата палива, л / 100 км | |||
| СНх | СО | NOх |
міський випробувальний цикл | дорожній випробувальний цикл |
|
| стандартна | 0,172 | 3,48 | 1,12 | 15,35 | 11,41 |
| Плазмова з оптимальним регулюванням кута випередження запалювання | 0,160 | 3,17 | 1,16 | 14,26 | 10,90 |
| Плазмова з оптимальним регулюванням кута випередження запалювання і складу суміші | 0,301 | 2,29 | 1,82 | 13,39 | 9,98 |
При плазмовому запалюванні можна здійснити якісне регулювання бензинового двигуна, при якому кількість повітря, що подається залишається незмінним, а регулювання потужності двигуна проводиться тільки регулюванням кількості подаваного палива. При застосуванні в двигуні системи плазмового запалювання без зміни регулювання кута випередження запалювання і складу суміші витрата палива зменшився на 0,9%, при регулюванні кута запалювання - на 4,5%, а при оптимальному регулюванні кута запалювання і складу суміші - на 14% ( см. табл. 12). Плазмове запалювання покращує роботу двигуна особливо при часткових навантаженнях, і витрата палива може бути таким же, як і у дизеля.
ЗНИЖЕННЯ ВИКИДУ ТОКСИЧНИХ речовин з газами
Зростання моторизації приносить з собою необхідність проведення заходів з охорони навколишнього середовища. Повітря в містах все більше забруднюється речовинами, шкідливими для здоров'я людини, особливо окисом вуглецю, незгорілих вуглеводнями, оксидами азоту, сполуками свинцю, сірки і т. Д. Значною мірою це продукти неповного згоряння палива, що застосовуються на підприємствах, в побуті, а також в автомобільних двигунах.
Поряд з токсичними речовинами при експлуатації автомобілів шкідливий вплив на населення надає і їх шум. За останній час в містах рівень шуму зростав щорічно на 1 дБ, тому необхідно не тільки призупинити зростання загального рівня шуму, але і домогтися його зниження. Постійний вплив шуму викликає нервові захворювання, знижує працездатність людей, особливо зайнятих розумовою діяльністю. Моторизація приносить шум в раніше тихі віддалені місця. Зниженню шуму, створюваного деревообробними і сільськогосподарськими машинами, на жаль, до сих пір не приділяється належної уваги. Ланцюгова бензопила створює шум в значній частині лісу, що викликає зміни умов життя тварин і нерідко буває причиною зникнення їх окремих видів.
Найбільш часто, однак, викликає нарікання забруднення атмосфери відпрацьованими газами автомобілів.
Таблиця 13. Допустимий викид шкідливих речовин з відпрацьованими газами легкових автомобілів відповідно до законодавства шт. Каліфорнія, США
При жвавому русі відпрацьовані гази скупчуються біля поверхні грунту і при наявності сонячної радіації, особливо в промислових містах, розташованих в погано провітрюваних улоговинах, утворюється так званий зміг. Атмосфера забруднюється в такій мірі, що перебування в ній шкодить здоров'ю. Співробітники дорожньої служби, які стоять на деяких пожвавлених перехрестях, з метою збереження свого здоров'я застосовують кисневі маски. Особливо шкідлива розташована поблизу земної поверхні щодо важка окис вуглецю, яка проникає в нижні поверхи будівель, гаражі і вже не раз приводила до смертельних випадків.
Законодавчі підприємства обмежують вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах автомобілів, причому вони постійно посилюються (табл. 13).
Приписи приносять виробникам автомобілів великі турботи; вони також побічно впливають і на ефективність автомобільного транспорту.
Для повного згоряння палива можна допустити деякий надлишок повітря з тим, щоб забезпечити гарне змішування з ним палива. Необхідний надлишок повітря залежить від ступеня перемішування палива з повітрям. У карбюраторних двигунах на цей процес відводиться чимало часу, оскільки шлях палива від смесеобразующего пристрої до свічки запалювання досить великий.
Сучасний карбюратор дозволяє утворити різні види суміші. Найбільш "багата суміш потрібна для холодного пуску двигуна, так як значна частка палива конденсується на стінках впускного трубопровідний і відразу в циліндр не потрапляє. Випаровується при цьому лише невелика частина легких фракцій палива. При прогріванні двигуна також потрібно суміш багатого складу.
При русі автомобіля склад паливо-повітряної суміші повинна бути бідною, що забезпечить хороший ККД і невелику питому витрату палива. Для досягнення максимальної потужності двигуна потрібно мати багату суміш, щоб повністю використовувати всю масу надійшов в циліндр повітря. Для забезпечення хороших динамічних якостей двигуна при швидкому відкриванні дросельної заслінки необхідно додатково подати у впускний трубопровід кілька палива, що компенсує паливо, осіли і сконденсоване на стінках трубопроводу в результаті підвищення в ньому тиску.
Для гарного перемішування палива з повітрям слід створити високу швидкість повітря і його обертання. Якщо перетин дифузора карбюратора постійно, то при низьких частотах обертання двигуна для гарного сумішоутворення швидкість повітря в ньому мала, а при високих - опір дифузора призводить до зменшення маси що надходить у двигун повітря. Цей недолік можна усунути, використовуючи карбюратор зі змінним перетином дифузора або уприскування палива у впускний трубопровід.
Існує кілька типів систем уприскування бензину у впускний трубопровід. У найбільш часто вживаних системах паливо подається через окрему для кожного циліндра форсунку, завдяки чому досягається рівномірний розподіл палива між циліндрами, усувається осідання і конденсація палива на холодних стінках впускного трубопроводу. Кількість палива, що впорскується легше наблизити до оптимального, необхідному двигуном в даний момент. Відпадає необхідність в дифузорі, виключаються виникають при його проходженні повітрям втрати енергії. Як приклад такої системи подачі палива можна привести часто застосовується систему уприскування типу "Бош К-Джетроник", вже згадувану раніше в 9.5 при розгляді двигунів з турбонаддувом.
Схема цієї системи представлена \u200b\u200bна рис. 94. Конический патрубок /, в якому переміщається коливається на важелі 2 клапан 5, виконаний так, що підйом клапана пропорційний масовій витраті повітря. вікна 5 для проходу палива відкриваються золотником 6 в корпусі регулятора при переміщенні важеля під впливом надходить лоток повітря. Необхідні зміни складу суміші відповідно до індивідуальних особливостей двигуна досягаються формою конічного патрубка. Важіль з клапаном урівноважений противагою, сили інерції при коливаннях автомобіля не впливають на клапан.
Витрата повітря, що надходить у двигун, регулюється дросельною заслінкою 4. Демпфірування коливань клапана, а з ним і золотника, що виникають при низьких частотах обертання двигуна внаслідок пульсацій тиску повітря у впускному трубопроводі, досягається жиклерами в паливній системі. Для регулювання кількості подаваного палива служить також гвинт 7, розташований в важелі клапана.
Між вікном 5 і соплі 8 розміщений розподільний клапан 10, підтримує за допомогою пружини 13 і сідла 12, спирається на мембрану //, постійний тиск упорскування в "розпилювачі форсунки 0,33 МПа при тиску перед клапаном 0,47 МПа.
Паливо з бака 16 подається електричним бензонасосом 15 через регулятор тиску 18 і паливний фільтр 17 в нижню камеру 9 корпусу регулятора. Постійний тиск палива в регуляторі підтримується редукційним клапаном 14. мембранний регулятор 18 призначений для збереження тиску палива при непрацюючому двигуні. Це запобігає утворенню повітряних пробок і забезпечує хороший пуск гарячого двигуна. Регулятор також уповільнює зростання тиску палива при пуску двигуна і гасить його коливання в трубопроводі.
Холодний пуск двигуна полегшують кілька пристроїв. Перепускний клапан 20, керований біметалічною пружиною, відкриває при холодному пуску зливну магістраль в паливний бак, що знижує тиск палива на торець золотника. Цим порушується рівновага важеля і одному і тому ж кількості повітря, що поступає буде відповідати більший обсяг палива, що впорскується. Іншим пристроєм є регулятор подачі додаткового повітря 19, діафрагму якого також відкриває биметаллическая пружина. Додатковий повітря необхідне для подолання підвищеного опору тертя холодного двигуна. Третє пристрій - це паливна форсунка 21 холодного пуску, керована термостатом 22 в водяній сорочці двигуна, який тримає форсунку відкритою, поки що охолоджує двигун рідина не досягне заданої температури.
Оснащення електронікою розглянутої системи упорскування бензину обмежена мінімумом. Електричний бензонасос при зупиненому двигуні вимкнений і, наприклад, при аварії топлівоподача припиняється, що перешкоджає виникненню пожежі в автомобілі. У непрацюючому двигуні знаходиться в нижньому положенні важіль натискає на розташований під ним вимикач, який перериває струм, що подається в стартер і нагрівальні спіралі термостата. Робота форсунки холодного пуску залежить від температури двигуна і часу його роботи.
Якщо в один циліндр з впускного трубопроводу надходить більше повітря, ніж в інші, то подача палива визначається умовами роботи циліндра з великою кількістю повітря, т. Е. З бідної сумішшю, щоб в ньому було забезпечено надійне запалення. Решта циліндри при цьому будуть працювати при збагачених сумішах, що економічно невигідно і веде до підвищення вмісту шкідливих речовин.
У дизелях смесеобразование більш утруднено, так як на змішання палива і повітря відводиться дуже короткий час. Процес займання палива починається з невеликим запізненням після початку впорскування палива в камеру згоряння. У процесі згоряння уприскування палива все ще триває і в таких умовах неможливо досягти повного використання повітря.
У дизелях тому повинен бути надлишок повітря і навіть при Димлення (що вказує на неповне згоряння суміші) в відпрацьованих газах присутній невикористаний кисень. Це викликано поганим перемішуванням крапель палива з повітрям. У центрі паливного факела є недолік повітря, що і призводить до димлення, хоча в безпосередній близькості навколо факела знаходиться невикористаний повітря. Частково про це вже згадувалося в 8.7.
Перевага дизелів полягає в тому, що займання суміші гарантується і при великому надлишку повітря. Невикористання усієї кількості надійшов в циліндр повітря при згорянні є причиною відносно невеликої питомої потужності дизеля на одиницю ваги і робочого об'єму, не дивлячись на його високу ступінь стиснення.
Більш досконале смесеобразование має місце в дизелях з розділеними камерами згоряння, у яких горить багата суміш з додатковою камери надходить в основну камеру згоряння, заповнену повітрям, добре змішується з ним і згоряє. Для цього потрібна менша кількість надлишкового повітря, ніж при безпосередньому уприскуванні палива, проте велика охолоджуюча поверхню стінок призводить до великих втрат теплоти, що викликає падіння індикаторного ККД.
13.1. ОСВІТА ОКИСУ ВУГЛЕЦЮ СО І ВУГЛЕВОДНІВ СНx
При згорянні суміші стехіометричного складу повинні утворитися нешкідливі двоокис вуглецю СО2 і водяна пара, а при нестачі повітря внаслідок того, що частина палива згоряє неповністю, - додатково токсичні окис вуглецю СО і незгорілі вуглеводні СНx.
Ці шкідливі для здоров'я компоненти відпрацьованих газів можна допалити і знешкодити. З цією метою необхідно спеціальним компресором К (рис. 95) подавати свіже повітря в таке місце випускного трубопроводу, де шкідливі продукти неповного згоряння можна спалити. Іноді для цього повітря подають безпосередньо на гарячий випускний клапан.
Як правило, термічний реактор для допалювання СО і СНx розміщують відразу за двигуном безпосередньо на виході з нього відпрацьованих газів. Відпрацьовані гази Мпідводяться в центр реактора, а відводяться з його периферії в випускний трубопровід V.Зовнішня поверхня реактора має теплоізоляцію I.
У найбільш нагрітої центральної частини реактора розміщена жарова камера, нагріта відпрацьованими газами,
де допалюються продукти неповного згоряння палива. При цьому вивільняється теплота, що підтримує високу температуру реактора.
Незгорілі компоненти в відпрацьованих газах можна окислити і без горіння за допомогою каталізатора. Для цього до відпрацьованим газам необхідно додати вторинне повітря, потрібний для окислення, хімічну реакцію якого проведе каталізатор. При цьому також вивільняється теплота. Каталізатором служать зазвичай рідкісні і дорогоцінні метали, тому він дуже дорогий.
Каталізатори можна застосувати в будь-якому типі двигуна, однак вони мають відносно невеликий термін служби. Якщо в паливі присутній свинець, то поверхня каталізатора швидко отруюється, і він приходить в непридатність. Отримання високооктанового бензину без свинцових антидетонаторов є досить складним процесом, при якому витрачається багато нафти, що при її дефіциті економічно недоцільно. Ясно, що дожигание палива в тепловому реакторі веде до енергетичних втрат, хоча при згорянні виділяється тепло, яке можна утилізувати. Доцільно тому так організувати процес в двигуні, щоб при згорянні в ньому палива утворювалося мінімальну кількість шкідливих речовин. У той же час слід зазначити, що для виконання перспективних законодавчих приписів застосування каталізаторів буде неминучим.
ОСВІТА ОКИСЛІВ АЗОТУ NOx
Шкідливі для здоров'я оксиди азоту утворюються при високій температурі горіння в умовах стехіометричного складу суміші. Зменшення викиду сполук азоту пов'язано з певними труднощами, так як умови їх зниження збігаються з умовами утворення шкідливих продуктів неповного згоряння і навпаки. У той же час температуру згоряння вдається знизити введенням в суміш будь-якого інертного газу або водяної пари.
Для цієї мети доцільно реціркуліровать у впускний трубопровід охолоджені відпрацьовані гази. Що зменшується внаслідок цього потужність вимагає збагачення суміші, більшого відкриття дросельної заслінки, що збільшує загальний викид шкідливих СО і СНx з відпрацьованими газами.
Рециркуляція відпрацьованих газів спільно зі зменшенням ступеня стиснення, зміною фаз газорозподілу і більш пізнім запаленням може знизити вміст NOx на 80%.
Оксиди азоту усувають з відпрацьованих газів, використовуючи також і каталітичні методи. В цьому випадку відпрацьовані гази спочатку пропускаються через відновний каталізатор, в якому відбувається зниження вмісту NOx а потім разом з додатковим повітрям - через окислювальний каталізатор, де усуваються СО і СНx. Схема такої двох-компонентної системи дана на рис. 96.
Для зниження вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах застосовують так звані -зонди, які можуть бути також використані спільно з двокомпонентним каталізатором. Особливість системи з -зондом полягає в тому, що додатковий повітря для окислення не подається до каталізатора, але -зонд постійно стежить за вмістом кисню в відпрацьованих газах і управляє подачею палива таким чином, щоб склад суміші завжди відповідав стехиометрическому. В цьому випадку СО, СНx і NOx будуть присутні у відпрацьованих газах в мінімальних кількостях.
Принцип роботи -зонда полягає в тому, що у вузькому діапазоні поблизу стехіометричного складу суміші \u003d 1 напруга між внутрішньою і зовнішньою поверхнею зонда різко змінюється, що служить керуючим імпульсом для пристрою, що регулює подачу палива. чутливий елемент 1 зонда виконаний з двоокису цирконію, а його поверхні 2 покриті шаром платини. Характеристика напруги Us між внутрішньою і зовнішньою поверхнями чутливого елемента показані на рис. 97.
ІНШІ ТОКСИЧНІ ВЕЩЕСТВА
Для збільшення октанового числа палива зазвичай застосовують антидетонатори, наприклад тетраетилсвинець. Щоб сполуки свинцю не осідали на стінках камери згоряння і клапанах, використовують так звані виносітелі, зокрема, діброметіл.
Ці сполуки надходять в атмосферу з відпрацьованими газами і забруднюють рослинність уздовж доріг. Потрапляючи з їжею в організм людини, сполуки свинцю шкідливо впливають на його здоров'я. Про осадженні свімца в каталізаторах відпрацьованих газів вже згадувалося. У зв'язку з цим важливим завданням в даний час є видалення свинцю з бензину.
Масло, проникаюче в камеру згоряння, повністю не згорає, і в вихлопних газах підвищується вміст СО і СНx. Для виключення цього явища необхідні висока герметичність поршневих кілець і підтримка хорошого технічного стану двигуна.
Від згоряння великої кількості масла особливо характерно для двотактних двигунів, у яких воно додається до палива. Негативні наслідки застосування бензомасляних сумішей частково пом'якшуються дозуванням масла спеціальним насосом відповідно до навантаженням двигуна. Аналогічні труднощі існують і при застосуванні двигуна Ванкеля.
Шкідливий вплив на здоров'я людини роблять і пари бензину. Тому вентиляцію картера необхідно здійснювати таким чином, щоб гази і пари, проникаючі в картер через погану герметичності, не надходили в атмосферу. Витік парів бензину з паливного бака можна запобігти адсорбцией і відсмоктування парів у вхідну систему. Витік масла з двигуна і коробки передач, забруднення автомобіля внаслідок цього маслами також заборонені в цілях збереження чистоти навколишнього середовища.
Зменшення витрати масла з економічної точки зору настільки ж важливо, як і економія палива, оскільки масла значно дорожче палива. Проведення регулярного контролю і технічного обслуговування скорочують витрати масла через виникнення несправностей двигуна. Течі масла в двигуні можуть спостерігатися, наприклад, внаслідок поганої герметичності кришки головки блоку циліндрів. Через витік масла забруднюється двигун, що буває причиною пожежі.
Небезпечна витік масла і внаслідок низької герметичності ущільнення колінчастого вала. Витрата масла в цьому випадку помітно зростає, і автомобіль залишає брудні сліди на дорозі.
Забруднення автомобіля маслом вельми небезпечно, і масляні плями під автомобілем є приводом для заборони його експлуатації.
Масло, що випливає через ущільнення колінчастого вала, може потрапити в зчеплення і викликати його пробуксовку. Однак більш негативні наслідки викликає попадання масла в камеру згоряння. І хоча витрата масла при цьому відносно невеликий, але неповне його згоряння збільшує викид шкідливих складових з відпрацьованими газами. Горіння масла проявляється в зайвому Димлення автомобіля, що типово для двотактних, а також значно зношених чотиритактних двигунів.
У чотиритактних двигунах масло проникає в камеру згоряння через поршневі кільця, що особливо помітно при великому зносі їх і циліндра. Основна причина проникнення масла в камеру згоряння складається в нерівномірності прилягання компресійних кілець до окружності циліндра. Відведення масла зі стінок циліндра здійснюється через прорізи маслос'емного кільця і \u200b\u200bотвори в його канавці.
Через зазор між стрижнем і спрямовуючої впускного клапана масло легко проникає у впускний трубопровід, де є розрідження. Це особливо часто спостерігається при використанні масел з малою в'язкістю. Запобігти витрата масла через цей вузол можна застосуванням гумового сальника на торці направляючої клапана.
Картерів гази двигуна, що містять багато шкідливих речовин, зазвичай відводяться спеціальним трубопроводом у вхідну систему. Поступаючи з неї в циліндр, картерів гази згоряють разом з паливо-повітряної сумішшю.
Маловязкие масла знижують втрати на тертя, покращують механічний ККД двигуна і зменшують витрата палива. Однак не рекомендується застосовувати масла з в'язкістю меншою, ніж наказано нормами. Це може викликати підвищену витрату масла і великий знос двигуна.
Внаслідок необхідності економії нафти збір і використання відпрацьованого масла стають все більш важливими проблемами. Шляхом регенерації старих масел можна отримати значну кількість якісних рідких змащувальних речовин і одночасно запобігти забрудненню навколишнього середовища, припинивши скидання відпрацьованих масел у водні потоки.
ВИЗНАЧЕННЯ ДОПУСТИМОГО КІЛЬКОСТІ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН
Усунення шкідливих речовин з відпрацьованих газів - досить складне завдання. У великих концентраціях ці компоненти дуже шкідливі для здоров'я. Звичайно, неможливо відразу змінити становище, особливо щодо експлуатованого парку автомобілів. Тому законодавчі приписи з контролю за вмістом шкідливих речовин у відпрацьованих газах розраховані на вироблені нові автомобілі. Ці приписи будуть поступово вдосконалюватися з урахуванням нових досягнень науки і техніки.
Очищення відпрацьованих газів пов'язана зі збільшенням витрати палива майже на 10%, зниженням потужності двигуна та зростанням вартості автомобіля. Зростає при цьому і вартість технічного обслуговування автомобіля. Каталізатори також коштують дорого, так як їх компоненти складаються з рідкісних металів. Термін служби повинен бути розрахований на 80 000 км пробігу автомобіля, однак зараз він ще не досягнуто. Використовувані в даний час каталізатори служать близько 40 000 км пробігу, і при цьому застосовується бензин без домішок свинцю.
Ситуація, що склалася ставить під сумнів ефективність жорстких приписів щодо вмісту шкідливих домішок, оскільки це викликає значне зростання вартості автомобіля і його експлуатації, а також призводить у результаті до підвищеного споживання нафти.
Виконання висунутих на перспективу жорстких вимог до чистоти відпрацьованих газів при сучасному стані бензинових і дизельних двигунів поки не представляється можливим. Тому доцільно приділяти увагу радикальної зміни силової установки механічних транспортних засобів.
