Общие характеристики двигателя внутреннего сгорания

Общие характеристики двигателя внутреннего сгорания

Главная > Реферат >Транспорт

Общие характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

В наши дни на автомобили в основном устанавливается двигатель внутреннего сгорания. Специалисты-профессионалы отмечают достаточно сложное его устройство. Для того чтобы остановить свой выбор, при покупке автомобиля, на какой-то конкретной версии, необходимо использовать технические характеристики двигателя внутреннего сгорания для анализа устройства всего автомобиля.

Самый главный показатель поршневого двигателя внутреннего сгорания – это количество цилиндров. Их может быть, на серийных автомобилях, от 1 до 16. Этот фактор влияет на конструктивное устройство двигателя, а так же на мощность, она может быть различной при одинаковом количестве цилиндров.

Цилиндры могут располагаться рядно и под углом друг к другу. Когда они расположены под углом, относительно коленчатого вала с обеих сторон, то на характеристики двигателя влияет угол развала. При увеличении угла смещается вниз центр тяжести двигателя, что улучшает работу систем охлаждения и смазки, наблюдается улучшение динамических показателей, повышается инерционность. При уменьшении угла снижается вес и инерционность, но ухудшается температурный режим.

Применяется в автомобилестроении оппозитный двигатель, угол развала цилиндров которого составляет 180°, при этом максимально проявляются преимущества и недостатки ДВС. При W-образной схеме задействуется четыре и более цилиндра, и включаются они в общий привод. Очень редко применяется рядно-V-образный тип двигателей, это синтез двух типовых разновидностей. Располагаясь последовательно, несколько цилиндров наклонены под определенным углом относительно друг друга, это способствует улучшению температурных характеристик.

Отличаются между собой эти типы двигателей весом и размерами. Увеличение количества цилиндров ведет к изменению всех характеристик: увеличивается рабочий объем двигателя, увеличивается его мощность, но и расход топлива увеличивается тоже.

Материалы, из которых изготавливают двигатели можно разделить на три основных группы:

Чугун и другие сплавы железа – достигается большая прочность, но значительно увеличивается вес.

Алюминий и сплавы – дают малый вес и среднюю прочность.

Сплавы магния – малый вес при достаточно высокой прочности, но при этом значительно возрастает стоимость.

В основном работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется тремя показателями: мощностью, крутящим моментом и числом оборотов коленчатого вала. Мощность обозначается лошадиными силами (л.с.), иногда выражается в киловаттах (кВт). Влияет она на общую динамику автомобиля, на его скорость и время разгона. Крутящий момент влияет на создание тягового усилия, обозначается ньютонометрами (нм), обеспечивает мягкость работы двигателя при переключении передач и обеспечивает ускорение автомобиля с низких оборотов. Показатель максимального числа оборотов коленчатого вала влияет на скоростной и динамический характер движения автомобиля.

Не менее важными являются такие характеристики:

тип применяемого топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть бензин, газ или дизельное топливо. Марки топлива различаются октановым числом, оно должно соответствовать типу двигателя и его характеристикам. Использование несоответствующего топлива приводит к потере мощности и к снижению ресурса работоспособности двигателя;

расход топлива двигателя внутреннего сгорания разделяется на городской, загородный и смешанный. Обозначается количеством литров на сто километров пробега автомобиля;

расход моторного масла . Измеряется в литрах на тысячу километров пробега. Масла бывают синтетическими, полусинтетическими и минеральными, отличаются они густотой и вязкостью. Применение их регламентировано изменениями сезонных температур, зимой применяются масла с низкими обозначениями 0W40, 5W40, 10W40, а летом 15W40, 20W40. Трансмиссионные масла 70W90 или 95W100 использовать в двигатель нельзя, так как это приведет к его заклиниванию;

ресурсная прочность – этот параметр определяет периодичность проведения технического обслуживания. Обычно работы по техническому обслуживанию двигателя проводятся в период между 5000 и 30000 километров пробега. Имеется гарантийный и послегарантийный периоды технического обслуживания.

Двигатели имеют ряд разнообразных особенностей конструктивного характера:

топливная система – может быть бензиновая и дизельная. Бензиновые двигатели при большем числе оборотов колен вала развивают большую мощность, а дизельные имеют большой крутящий момент и отличаются устойчивой работой;

на современных двигателях внутреннего сгорания применяется электронная система впрыска бензина (инжекторная), она показывает лучшие технико-экономические показатели, чем карбюраторная система. Из-за плохого смешивания бензовоздушной смеси карбюраторная система имеет низкий КПД, труднорегулируемая механическая регулировка приводят к перерасходу топлива;

система бензинового впрыска может быть одноточечного и многоточечного типа. Недостатком одноточечной системы есть то, что при резком уменьшении нагрузки происходит увеличение расхода топлива. Многоточечный тип имеет прямую и распределенную систему впрыска. При этом создается равномернораспределенная смесь, что делает работу двигателя устойчивой на всех режимах. Но при прямом впрыске, хоть и наблюдается повышение мощности, ресурсной прочности и снижение расхода топлива значительно повышается стоимость, так как необходимо высококачественное топливо и наблюдаются провалы на малых оборотах в начале движения.

Эти недостатки исключаются применением комбинированного (двойного) впрыска. Системы используются одновременно, а электроника включает их по очереди, в зависимости от изменения нагрузочных и скоростных режимов.

Дизельные двигатели проще бензиновых по конструкции, однако, система впуска намного сложнее и построена по другому принципу. В ее состав входит топливный насос высокого давления (ТНВД), а так же форсунки, которые впрыскивают топливо, под высоким давлением, прямо в камеру сгорания. Работает эта совместная система достаточно устойчиво и стабильно, но требует тщательного технического обслуживания и профессиональной регулировки.

Используя комбинацию топливного насоса высокого давления с насос-форсунками на базе общей топливной рампы высокого давления, где дизельное топливо сжимается и попадает в камеру сгорания методом впрыска. На данное время эта система показывает лучшие характеристики и обеспечивает малый расход топлива.

Форсунки впрыска могут быть с механическим или пьезоэлектронным приводом. Они достаточно надежно работают, но пьезоэлектронные проще в обслуживании.

Клапана – часть газораспределительной системы, бывают впускные и выпускные. В разных конструкциях используется от 2 до 5 на каждый цилиндр. Чем больше клапанов, тем больше мощность, так как камера сгорания больше и быстрее наполняется топливом, это характеризуется увеличенным расходом топлива.

Дизельные двигатели бывают с наддувом и без. Без наддува – атмосферные двигатели не имеют компрессора или других устройств обеспечивающих создание повышенного давления воздуха в системе впуска. С наддувом бывают компрессорные и турбинные, отличаются друг от друга типом привода.

Компрессорный наддув имеет механический привод и получает вращение от коленчатого вала двигателя, в результате теряется часть мощности и увеличивается расход топлива. Турбонаддув имеет привод от системы крыльчаток, раскручивающихся под давлением выхлопных газов. Эта система надежнее, отличается простотой и почти исключает потери, но при этом снижается крутящий момент, ощутимо это на низких оборотах.

Система газораспределения двигателя внутреннего сгорания включает в себя распределительные валы и их приводы. Количество их зависит от конструкции двигателя, на каждый ряд один вал, но не более чем на 8 клапанов. Передача вращения от коленвала на распредвал осуществляется посредством цепи или ремня. Цепь создает много шума, но достаточно надежная, а ремень дешевле, но быстро изнашивается.

Фазы газораспределения – величина теоретически постоянная, и зависит от формы кулачка распредвала. По мере износа кулачка изменяются фазы, падает мощность и уменьшается моторесурс двигателя внутреннего сгорания.

Характеристики двигателя

В двигателе внутреннего сгорания выделяющиеся при сгорании топлива газы давят на поршень, и через преобразующий механизм выполняют механическую работу по вращению коленчатого вала двигателя. Затем эта работа используется для вращения ведущих колес автомобиля. Любой двигатель обладает определенной мощностью и крутящим моментом. Большинство людей при оценке автомобиля в первую очередь обращают внимание на мощность его двигателя и не очень интересуются крутящим моментом, хотя его значение существенно влияет на поведение автомобиля на дороге. Крутящий момент на вале двигателя представляет собой произведение величин силы и длины плеча ее действия.
Современной единицей измерения крутящего момента является ньютонометр (Н•м). Крутящий момент, создаваемый двигателем, зависит от рабочего давления внутри цилиндра двигателя, площади поршня, радиуса кривошипа коленчатого вала и ряда других параметров. Поскольку время воздействия давления газов на поршень изменяется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, крутящий момент также изменяется. Если умножить величину крутящего момента, соответствующую определенной частоте вращения вала двигателя, на его угловую скорость, получим значение мощности двигателя, развиваемой при этой скорости. Начиная с XVIII в., единицей измерения мощности была лошадиная сила. Современной международной единицей измерения мощности является киловатт(кВт). При этом лошадиную силу (л. с. ) довольно часто продолжают указывать в технических характеристиках автомобильных двигателей. Для того, чтобы перевести мощность, указанную в киловаттах, в лошадиные силы, нужно умножить ее значение на 1, 34.

Внешняя скоростная характеристика ДВС:
Ne — эффективная мощность;
Me — эффективный крутящий момент;
Mmax — максимальный крутящий момент;
Nmax — максимальная мощность;
МN — крутящий момент, соответствующий максимальной мощности;
ω — угловая скорость вала двигателя

Профессиональные автомобилисты для оценки работы двигателя используют скоростные характеристики, которые представляют собой зависимость крутящего момента двигателя и его мощности от угловой скорости или частоты вращения его вала, они называются «скоростные характеристики двигателя». Скоростные характеристики реальных двигателей получают при их испытаниях на специальных стендах. Очевидно, что значения показателей двигателя будут зависеть от количества поступающего в двигатель топлива, то есть от положения педали «газа». Зависимость скорости автомобиля, полученная при максимальной подаче топлива в цилиндры двигателя, называется «внешней скоростной характеристикой» (ВСХ).
На графике скоростной характеристики отмечаются минимальные и максимальные обороты коленчатого вала двигателя. Как можно заметить из приведенной скоростной характеристики ДВС, крутящий момент достигает своего максимального значения при средних оборотах вала, а затем, при дальнейшем увеличении частоты вращения, снижается. Хорошо это или плохо? Давайте представим себе автомобиль, который движется по ровной горизонтальной дороге с максимальной скоростью, а его двигатель имеет такую кривую изменения крутящего момента. Максимальная скорость наступает при оборотах двигателя, близких к наибольшим, когда сила, приложенная к ведущим колесам автомобиля и соответствующая крутящему моменту двигателя при этих оборотах, увеличенному с помощью трансмиссии, уравняется с силами сопротивления движению, действующими на автомобиль. Если на дороге перед этим автомобилем возникнет даже небольшой подъем, сила сопротивления увеличится, а обороты двигателя уменьшатся. Что же произойдет при этом с крутящим моментом двигателя?
Из скоростной характеристики можно заметить, что уменьшение оборотов двигателя приведет к небольшому увеличению крутящего момента. Если подъем на дороге не очень велик, то этого увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам, может хватить для его преодоления без перехода на более низкую передачу в трансмиссии автомобиля. Другими словами, двигатель с падающей характеристикой крутящего момента хорошо приспосабливается к увеличению сопротивления движению автомобиля. Причем, чем круче опускается кривая момента на скоростной характеристике при увеличении угловой скорости вращения вала двигателя, тем лучшей приспосабливаемостью он обладает.
Электрический двигатель имеет максимальное значение крутящего момента при минимальных оборотах, и при их увеличении крутящий момент постоянно снижается. Поэтому у электромобиля трансмиссия значительно упрощается — ему не нужна коробка передач. Любой автомобильный двигатель представляет собой совокупность механизмов и систем. Основными механизмами четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ).

СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам распыливания топлива в камерах сгорания. Задачей изобретения является упрощение реализующей способ конструкции, повышение надежности и эксплуатационных характеристик двигателя. Из бака 14 по топливопроводу 13 производят подвод топлива к насосу 12 и закачивание его по магистрали 11 в накопительный резервуар 8 закрытого объема. Посредством нагревателя 10 осуществляют нагрев топлива 9 до температуры и давления, значения которых выше, чем в камере 5 сгорания на момент впрыска топлива. При движении поршня 2 вверх засосанный через клапан 3 воздух начинает сжиматься в цилиндре 1, достигая к концу такта сжатия давления, обусловленного степенью сжатия, при этом также повышается и его температура, но их значения остаются меньше, чем давление и температура топлива в резервуаре 8. При подходе поршня 2 к ВМТ осуществляют впрыск топлива 9 в камеру 5 сгорания посредством форсунки 6. Происходит взрывное вскипание топлива, благодаря чему оно измельчается на еще более мелкие частицы, которые разлетаются, хорошо перемешиваясь с воздухом, и дополнительно турбулизируют горючую смесь. Включают техническое зажигание и осуществляют горение полученного топливного заряда. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания, включающий перевод жидкого топлива в состояние перегрева, отличающийся тем, что путем нагрева жидкого топлива в закрытом объеме повышают его температуру и давление до значений, соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи, которую осуществляют в конце такта сжатия, после чего производят техническое зажигание. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу топлива осуществляют посредством устройства впрыска, которое соединяют магистралью высокого давления с резервуаром, в котором осуществляют нагрев топлива.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам распиливания топлива в камерах сгорания.

Прототипом является способ распиливания горючего, основанный на предварительном подогреве, переводе его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство и взрывообразном вскипании и нагреве до приведенной температуры дисперсионной среды = Т/Т_кр=0,75-0,93, где Т — температура нагрева на входе в распыливающее устройство, Т_кр — критическая температура дисперсионной среды, с последующим истечением и распыливанием на выходе из распыливающего устройства [Пат. РФ 2183286 МПК F02M 31/02, F23D 11/24, 2002].

Недостатками прототипа являются:

— сложность реализующей способ конструкции и недостаточная ее надежность, обусловленные необходимостью поддерживать топливо в метастабильном состоянии, что сделать в диапазоне рабочих температур, режимов и нагрузок двигателя внутреннего сгорания достаточно трудно, так как метастабильное состояние жидкости является неустойчивым;

— снижение качества распыла топлива в случае впрыска его в двигатель внутреннего сгорания, поскольку при сжатии горючей смеси (на такте сжатия) повышается давление, приводящее к конденсации части паров горючей смеси, т.е. к укрупнению распыленных частиц, что увеличивает время сгорания последних, снижает КПД двигателя и его эксплуатационные характеристики, а также повышает выброс вредных веществ с отработавшими газами.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение реализующей способ конструкции, повышение надежности и эксплуатационных характеристик двигателя.

Задача решается тем, что в способе подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания, включающем перевод жидкого топлива в состояние перегрева, путем нагрева жидкого топлива в закрытом объеме повышают его температуру и давление до значений соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи.

Нагрев топлива в закрытом объеме осуществляют до температуры большей температуры самовоспламенения его паров. Перевод топлива в камеру сгорания двигателя осуществляют в конце такта сжатия.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Повышение температуры и давления топлива путем нагрева его в закрытом объеме до значений соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи и перевод топлива в состояние перегрева, позволяет осуществить взрывное вскипание топлива непосредственно в самой камере, за счет чего осуществляется его мелкий распыл и турбулизация горючей смеси, что улучшает процесс сгорания. Это, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая, в конечном счете, эксплуатационные характеристики.

Нагрев топлива в закрытом объеме до температуры большей температуры самовоспламенения его паров позволяет осуществить воспламенение топлива в момент впрыска его в камеру сгорания, содержащей окислитель (воздух), при этом в отличие от дизеля температура окислителя может быть меньше температуры самовоспламенения паров топлива. Это позволяет отказаться от технического зажигания и улучшить процесс горения, поскольку появляется множество очагов воспламенения по сравнению с искровым зажиганием. В результате этого упрощается конструкция двигателя, повышаются его КПД, надежность и эксплуатационные характеристики.

Перевод топлива в камеру сгорания двигателя в конце такта сжатия позволяет сохранить размер распыленных частиц топлива, так как давление окислителя в камере сгорания уже не будет повышаться, что предотвратит конденсацию паров и укрупнение частиц после впрыска.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. изображена схема устройства подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и соединенную через впускной клапан 3 с воздушным каналом 4 камеру 5 сгорания, в которой установлено устройство 6 впрыска (форсунка), связанное посредством магистрали 7 высокого давления с резервуаром 8, имеющим топливо 9 с погруженным в него нагревателем 10 и соединенным магистралью 11 высокого давления с насосом 12, который топливопроводом 13 связан с баком 14.

Способ реализуют следующим образом.

Из бака 14 по топливопроводу 13 производят подвод топлива к насосу 12, который через магистраль 11 закачивает его в накопительный резервуар 8 закрытого объема. Посредством нагревателя 10 осуществляют нагрев топлива 9 до температуры и давления, значения которых выше, чем в камере 5 сгорания на момент его впрыска. При движении поршня 2 вниз открывается впускной клапан 3. В результате чего воздух из канала 4 поступает (засасывается) в цилиндр 1. При движении поршня вверх клапан 3 закрывается, и воздух начинает сжиматься в цилиндре, достигая к концу такта сжатия давления, обусловленного степенью сжатия, при этом также повышается и температура сжимаемого воздуха, но их значения остаются меньше, чем давление и температура топлива в резервуаре 8. При подходе поршня 2 к верхней мертвой точке осуществляют впрыск топлива 9 в камеру 5 сгорания посредством форсунки 6. Поскольку в камере сгорания давление и температура меньше, чем во впрыснутом (распыленном) топливе, то происходит взрывное вскипание последнего, благодаря чему оно измельчается на еще более мелкие частицы, которые разлетаются, хорошо перемешиваясь с воздухом, и дополнительно турбулизируют горючую смесь. Включают техническое зажигание (например искровую свечу) и осуществляют горение полученного топливного заряда. Заметим, что при подогреве топлива в резервуаре 8 выше температуры самовоспламенения его паров происходит возгорание последних после смешивание в камере 5 сгорания с воздухом, температура которого (в отличие от дизеля) может быть ниже указанной температуры самовоспламенения. В этом случае технического зажигания не требуется. Поскольку топливо впрыскивается к концу такта сжатия, то давление в камере 5 сгорания больше не растет, что исключает конденсацию паров топлива и связанное с этим укрупнение распыленных частиц топлива. По мере расхода топлива из резервуара 8, последний постоянно пополняется с помощью насоса 12.

Внедрение изобретения позволит улучшить процесс горения топливного заряда, упростить конструкцию двигателя, повысить его надежность, КПД и эксплуатационные характеристики.

Новый способ приготовления горючей смеси в ДВС

Со времени изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в качестве приоритетных направлений его дальнейшего совершенствования были выбраны повышение мощности и экономичности, а также снижение массогабаритных характеристик.

Влияние вида сжигаемого топлива

На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания разработаны практически для каждого вида углеводородного горючего. Многие эксплуатационные показатели топлива, как известно, являются обязательными и необходимыми для выполнения теплового расчета ДВС.

Именно от планируемого к использованию топлива зависят тактико-технические характеристики и функциональные возможности двигателя. Так, элементарный состав топлива формирует качество сжигаемого горючего и его калорийность (теплоту сгорания или теплотворную способность), которые определяют расходы топлива, воздуха и продуктов сгорания, а также коррозионный износ цилиндров, газовыпускного тракта и экологическую чистоту двигателя. Вязкость и плотность используемого топлива влияют не только на прокачиваемость, качество распыла и испарение топлива, но и на маневренность двигателя (например, на время запуска и на время перехода с одного режима работы на другой), его взрывопожаробезопасность. Кроме того, элементарный состав топлива определяет полноту и теплонапряженность процесса сгорания топлива, а в конечном счете – мощность двигателя и его долговечность.

Влияние параметров топлива

На работу двигателей внутреннего сгорания не последнее влияние оказывают параметры подаваемого в него топлива. Основными параметрами подачи топлива в ДВС являются его давление и расход, при этом каждый тип двигателя имеет свои показатели указанных параметров. Необходимо отметить, что расход топлива на двигатель – это производная от его давления: чем выше давление топлива, тем больше его расход, и наоборот. Поскольку воспламенение и сгорание любого вида топлива происходят только в парогазовой фазе, то качественному и полному сгоранию топлива в двигателе должно обязательно предшествовать его полное испарение. Для перевода в паровую фазу жидкое горючее необходимо мелко распылить – между тем хорошо известно, что качество распыла определяется в том числе и величиной давления подаваемого топлива. Так, в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием для испарения топлива, происходящего до цилиндров в карбюраторе или инжекторе, достаточно атмосферного давления. В то же время в двигателях с воспламенением от сжатия (дизелях) для нормального процесса парообразования топлива, реализуемого во внутренней полости цилиндров, горючее необходимо подавать с избыточным давлением.

Таким образом, расход подаваемого в цилиндры топлива определяет мощность двигателя, а его давление – качество и полноту протекания процесса сгорания в цилиндрах.

Влияние воздуха

Атмосферный воздух, включающий в свой состав природный окислитель кислород, является обязательным и необходимым для организации и протекания процесса горения компонентом. Количество и способ подачи воздуха в двигатель влияют на количественно-качественные характеристики цепной реакции окисления горючего и, в конечном итоге, на мощность, экономичность и экологичность двигателя.

По Менделееву, на сжигание 1 килограмма углеводородного топлива теоретически необходимо 10 килограммов атмосферного воздуха. Недостаток, равно как и избыток, подаваемого в двигатель воздуха негативно сказывается на его работе. Так, недостаточное количество воздуха приводит к приготовлению обогащенной горючей смеси, снижению экономичности, долговечности, повышенному нагарообразованию на внутренних стенках цилиндров и газовыходного тракта двигателя и к интенсивному загрязнению природной среды продуктами неполного сгорания. В то же время избыток подаваемого на горение воздуха формирует обедненную смесь, что вызывает повышенное окисление конструкционных материалов внутренних полостей цилиндров и газовыходного тракта, снижение мощности двигателя, перерасход топлива, интенсивное тепловое загрязнение атмосферы и т. п.

Известно, что вид и структура углеводородных молекул, а также соотношение углерода к водороду (С:Н) в них различны и в процессе подачи топлива на горение изменяются ежемоментно. В связи с этим для полного сжигания топлива количество воздуха, подаваемого на приготовление горючей смеси, заранее завышается по сравнению с теоретически необходимым. Превышение количества фактически подаваемого воздуха над теоретически необходимым его количеством отражается через значение коэффициента избытка воздуха α, который при традиционном способе приготовления горючей смеси в сегодняшних двигателях внутреннего сгорания составляет от 1,1‑1,5 (при атмосферной подаче воздуха на приготовление горючей смеси) до 5,0 (при турбокомпрессорной подаче воздуха на приготовление горючей смеси).

О топливоподающей системе и подаче воздуха

Используемые сегодня топливоподающие системы ДВС были разработаны еще в начале XX века и, несмотря на ужесточение старых и появление новых (например, экологических) требований к двигателям, применяются до сих пор без принципиальных изменений.

Приоритет в совершенствовании топливных систем ДВС за прошедшее столетие отдавался главным образом количественным показателям. В частности – давлению топлива перед форсунками двигателя, величина которого выросла с 10‑50 кг / см 2 в начале XX века до 2000 кг/см 2 в начале XXI века. Повышение давления подаваемого топлива позволило, в конечном итоге, при сохранении массогабаритных характеристик двигателей добиться значительного увеличения их мощности.

Следует отметить, что сегодня топливоподающие системы двигателей внутреннего сгорания включают практически те же элементы, что и сто лет назад: топливную емкость, фильтры грубой и тонкой очистки, насос (для дизелей – топливоподкачивающий насос и топливный насос высокого давления), карбюратор или инжектор (для бензиновых двигателей), форсунки (для дизелей) и всасывающий, напорный, сливной трубопроводы.

Одновременно с топливоподающими системами стал применяться используемый до сих пор атмосферный способ подачи воздуха в двигатели.

Приоритет в совершенствовании способов подачи воздуха в двигатели отдавался не только количественным, но и качественным показателям, в частности увеличению напора и расхода воздуха, подаваемого на смешение с топливом, а также повышению степени турбулизации воздушного потока. Итогом такого подхода явилось широкое внедрение вентиляторного, а затем и турбокомпрессорного способов подачи воздуха в двигатель.

При атмосферном способе воздух поступает в воздушный коллектор за счет перепада давлений в атмосфере и в цилиндре двигателя при движении поршня в нижнюю мертвую точку. При вентиляторном способе формируется ламинарный воздушный поток, принудительно подаваемый в воздушный коллектор посредством приводимого во вращение от коленчатого вала вентилятора. Турбокомпрессорный способ предусматривает получение и подачу в воздушный коллектор турбулентного воздушного потока с помощью воздушного компрессора, приводимого во вращение расположенной в выходном коллекторе двигателя газовой турбиной.

Совершенствование способов подачи воздуха в ДВС позволило, не повышая расхода топлива и сохранив массогабаритные характеристики, достичь более высоких показателей мощности двигателей – главным образом за счет активизации и интенсификации процесса горения и повышения, таким образом, теплонапряженности в цилиндрах. Так, применение вентиляторного способа позволило увеличить мощность двигателя в полтора-два раза, а турбокомпрессорного – в два – два с половиной и более раз по сравнению с использованием атмосферного способа подачи воздуха.

Традиционный способ

Сегодня во всех двигателях внутреннего сгорания используется одинаковый способ приготовления горючей смеси, в котором в качестве первичной среды выступает топливо, а вторичной – воздух. Этот способ применяется более ста лет и стал уже традиционным. Суть его в следующем. Распыленное до мельчайших (20 мкм и менее) частиц топливо подается в поток атмосферного воздуха, который, перемешиваясь с горючим, образует топливовоздушную аэрозоль. Впоследствии горючая аэрозоль зажигается электрическим разрядом от свечи (в бензиновых двигателях) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных двигателях) и сгорает.

Условно процесс сгорания топлива в цилиндре можно разделить на три стадии (начальную, среднюю, конечную). В начальной стадии топливовоздушная смесь охватывается пламенем, происходит ее воспламенение и формирование первичного очага пламени, интенсивное испарение поверхностного слоя горючего и его горение в тонкой паровой фазе.

Продолжительность начальной стадии определяется скоростью тепловыделения реакции окисления. Средняя стадия процесса горения характеризуется интенсивным распространением пламени по всему объему горючей смеси. Скорость сгорания смеси резко увеличивается вследствие увеличения площади контакта взаимодействующих компонентов (поверхности испарения) и турбулизации смеси. На конечной стадии происходит догорание топлива, падение скорости и прекращение распространения пламени, вызванные резким снижением количества кислорода.

Следует отметить, что в реакции окисления углеводородного топлива участвует только теоретически необходимое количество воздуха. Остальной же воздух (избыток) в реакции горения (окисления) участия не принимает, а проходит транзитом через зону горения и, мгновенно нагреваясь от температуры окружающей среды до температуры в цилиндре, сбрасывается горячим в составе выхлопных газов в атмосферу, являясь причиной ее интенсивного теплового загрязнения. При этом на нагрев избыточного воздуха дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к его перерасходу. Очевидно, что с повышением избытка воздуха увеличивается и количество затраченного на его нагрев сжигаемого топлива.

О новом способе приготовления горючей смеси

Наряду с традиционно применяемым способом приготовления горючей смеси существуют и другие способы, например струйно-кавитационный.

В основу этого способа положены физические явления, возникающие во внутренних полостях струйных аппаратов при их прокачке жидкими и газообразными средами. При струйно-кавитационном способе приготовления горючей смеси в качестве первичной среды используется не топливо, а атмосферный воздух.

Суть его заключается в следующем. Заданное (как правило, близкое к теоретически необходимому) количество воздуха всасывается из атмосферы и под давлением выше атмосферного подается в струйный насос. При высокоскоростном течении воздуха через внутреннюю полость проточной части насоса в его приемной камере создается разрежение, достаточное для самовсасывания вторичной среды – жидкого топлива.

При самовсасывании топлива его углеводородные молекулы расщепляются на молекулы меньшей молекулярной массы, отдельные атомы и топливные радикалы и в таком виде смешиваются с воздухом. В результате на выходе из насоса получается высококачественная гомогенная (размеры топливных частиц не превышают 10 мкм) воздушно-топливная (а не топливо-воздушная) аэрозоль, которая затем поступает непосредственно на горение. Количество топлива в смеси регулируется расходом воздуха на насос, а качество распыла (дисперсность) – давлением рабочего воздуха. С увеличением давления и количества подаваемого воздуха повышается и количество всасываемого топлива, и наоборот.

Характеристики подаваемой на горение горючей смеси, близкие к оптимальным, поддерживаются расходом и давлением воздуха перед насосом. Использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси позволяет регулировать мощность двигателя посредством изменения расхода и давления воздуха, подаваемого в струйный насос.

Струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси можно считать универсальным, поскольку он применим ко всем видам углеводородного топлива и топливосжигающим установкам.

Очевидно, что использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси потребует и принципиального качественно-количественного изменения топливо- и воздухоподающих систем двигателей.

На сегодняшний день струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси прошел лабораторные и промышленные испытания.

Научно-технический прогресс, как известно, не стоит на месте и даже самые эффективные в свое время инженерные решения с годами устаревают и требуют замены на более совершенные. XXI век выдвигает новые требования и ставит новые задачи, в том числе и в области использования природных ресурсов, включая углеводородное топливо.

Все сказанное относится и к традиционному способу приготовления горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, который используется вот уже более ста лет.

«> Новый способ приготовления горючей смеси в ДВС Код PHP » data-description=»Со времени изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в качестве приоритетных направлений его дальнейшего совершенствования были выбраны повышение мощности и экономичности, а также снижение массогабаритных характеристик.