carendar.com

Двигателят с въ­трешно горене

Автомобилът е най-масовото превозно сред­ство. Годишно в света се произвеждат над 40 милиона леки и товарни автомобили. Милио­ни хора всекидневно ги използуват. И въпре­ки това мнозина не знаят как се движи тази полезна машина. Безброй са собствениците, за които двигателят, тази основна част на ав­томобила, елерра инкогнита".Те редовно за­реждат резервоара с бензин, сменят маслото, въртят кормилото и "навиват" километър след километър. Но са съвсем безпомощни, когато по някаква причина двигателят "откаже" да работи. Наистина не е необходимо всеки во­дач да бъде механик, но познаването на устройството на двигателя безспорно допри­нася за по-правилната му експлоатация. И така, какво представлява двигателят с въ­трешно горене? Най-елементарното обясне­ние е: двигателят с вътрешно горене е маши­на, която превръща топлинната енергия в ме­ханична работа. Но това не е достатъчно, за да се разбере как работи. Преди всичко тряб­ва да се знае, че като гориво се използува смес от въздух и бензинови пари, а не само бензин, както мислят мнозина. Горивото крие в себе си химическа енергия. В същност това е потенциална енергия, тъй като се пази в скри­та форма за неопределено време. Освобожда­ва се едва когато й се даде тласък от запали­телната искра. При изгарянето на горивото хи­мическата енергия се превръща в топлинна и се използува за извършване на определена работа - да задвижи автомобила. Горенето се извършва в самия двигател, затова се нарича двигател с вътрешно горене. Съществуват и други видове двигатели, като парната маши­на, при които горенето става извън двигателя. При двигателя с вътрешно горене горенето се извършва в специални работни простран­ства, които по форма наподобяват цилиндри и затова са наречени цилиндри. Цилиндрите са затворени отгоре с капак, а отдолу - с по­движни запушалки - бутала. Когато горивна­та смес се запали и се отдели голямо количе­ство топлина, налягането рязко се увеличава и изтласква буталото надолу, като го движи праволинейно. Праволинейното движение трябва да се превърне във въртеливо и това се извършва с помощта на специален коляно мотовилков механизъм. Във всекидневния жи­вот могат да се намерят много примери за превръщане на праволинейното движение във въртеливо - ваденето на водата от кладенец посредством макара, пробиването на дупки с помощта на свредел и пр. Коляно-мотовилковият механизъм изпъл­нява три задачи - връща буталото обратно нагоре, превръща праволинейното движение във въртеливо и го предава по-нататък на трансмисията, за да достигне постепенно до двигателните колела на автомобила, т. е. да го задвижи. По този начин топлината, отделяна при изгарянето на горивото, извършва меха­нична работа.

Бензиновият двигател

Четиритактови двигатели

Когато автомобилът се движи, двигателят работи непрекъснато, но горенето съвсем не е непрекъснат процес. За да се изясни напълно неговият принцип на действие, трябва да се разгледа един работен цикъл. Той се състои от четири такта. Първият такт започва, когато бу­талото се намира в горно крайно положение или в горна мъртва точка, както е прието да се казва. Да допуснем, че с помощта на елек­тродвигател завъртим коляновия вал и той придвижи буталото в крайното долно поло­жение - долната мъртва точка. При това дви­жение газът, който се намира над буталото, се разширява, тъй като обемът на цилиндъра при движението на буталото надолу се е увели­чил. Налягането в цилиндъра става по-малко от атмосферното - образува се разреждане. В този момент се отваря специален всмукателен отвор и в цилиндъра нахлува горивната смес (смес от бензинови пари и въздух), С то­ва завършва първият такт от работния цикъл. Нарича се всмукване. В същото време коля-новият вал прави половин оборот.

Буталото е достигнало долната мъртва точ­ка и по-надолу не може да отиде. Ако запа­лим сместа, буталото няма да мръдне от мяс­тото си и няма да извърши механична работа. При това сместа не е готова за горене -има твърде голям обем. Затова се налага,преди да се запали, да се "сгъсти". След изпълнението на такта всмукване коляновият вал продъл­жава да се върти и коляното му повдига бута­лото нагоре, при което се намалява обемът. В горната част на цилиндъра всички отвори са затворени, сместа няма откъде да излезе и за­почва да се сгъстява. Налягането в цилиндъ­ра се увеличава, а температурата се повиша­ва. По този начин се извършва вторият такт - сгъстяване, - който завършва, когато бутало­то достигне горната мъртва точка и колянови­ят вал извърши още половин оборот. В зави­симост от конструкцията на двигателя сместа се свива 8-10 пъти, а температурата достига 573-623 келвин (300-3 50°С). Тогава тя ве­че е готова за запалване. Горивната смес се запалва с помощта на електрическа искра. Горенето се извършва много бързо, температурата надвишава 2273 келвин (2000°С), а налягането достига 6100-7100 паскал (60-70 атмосфери). Га­зовете с огромна сила изтласкват буталото на­долу към долната мъртва точка, при което движение коляновият вал прави още поло­вин оборот. Така се изпълнява третият такт - работен. С приближаване на буталото към до­лната мъртва точка газът заема все по-голям обем, налягането спада, а температурата се понижава под 1473 келвин (под 1200°С). При достигането на долната мъртва точка вместо работната смес в цилиндъра са оста­нали отработилите газове. Те трябва да се отстранят. Това става, като се отвори изпус­кателният отвор. В същото време буталото за­почва да се движи нагоре и изтласква навън отработилите газове. По този начин цилиндъ­рът се освобождава от тях. С достигането на буталото в горната мъртва точка завършва четвъртият такт - изпускане, а коляновият вал прави още половин оборот. Четирите такта образуват работния цикъл на двигателя, по време на който коляновият вал прави два пълни оборота. Двигателите с такъв работен процес се наричат четиритактовм двигатели с вътрешно горене.

Двутактови двигатели

Същес­твуват и двутактови двигатели. При тях ра­ботният цикъл протича в продължение на един оборот на коляновия вал, но те се изпол­зуват рядко в автомобилите - тогава, когато ходовият обем на двигателя не надхвърля 1000 кубически сантиметра. Работният такт, през който буталото за­движва коляновия вал, е отделен от тактовете изпускане, всмукване и сгъстяване. Но въпре­ки това двигателят работи плавно, а автомо­билът се движи без придърпване. Плавната работа на двигателя се осигурява от маховика и от последователния ред в рабо­тата на отделните цилиндри. При завъртването на коляновия вал се завъртва и маховикът. Той е тежък и се задвижва трудно. Енергията, която получава маховикът, се изразходва за преодоляване на съпротивлението при дви­жение на буталото в тактовете всмукване, сгъстяване, изпускане. Скоростта на въртене не се променя рязко, само постепенно нама­лява, защото маховикът има голяма маса. За да се увеличи плавността в работата на двигателя, той се прави многоцилиндров, най-често четирицилиндров, но има и шест и осем цилиндрови двигатели. При тях работният такт се осъществява последователно. Да пре­дположим, че първият цилиндър е извършил работен такт. Веднага след него работен такт извършва друг цилиндър например третият, след това четвъртият, следва вторият и отно­во първият, като последователността на рабо­та на отделните цилиндри е строго определе­на. Това се повтаря отново без прекъсване. По този начин маховикът постоянно се подхран­ва с енергия, а това позволява да се намали масата му, без да се наруши плавността в ра­ботата на двигателя и съответно в движение­то на автомобила. Едно от най-съществените достойнства на съвременния двигател с вътрешно горене е, че е малък по размери и по маса. Освен това лес­но се поддържа и е много надежден. Може да работи в продължение на хиляди часове, пре­ди да се износи. Свикнали сме бензиновият двигател с въ­трешно горене да работи безотказно десет­ки, даже стотици хиляди километри. Но пио­нерите на автомобила съвсем не са се радва­ли на такова щастие. Нещо обикновено било някога край пътя да е спрял автомобил и под него в прахта или в калта да лежи водачът му. Той трябвало не само да умее да управлява автомобила, но и с успех да го ремонтира, и то под насмешливите забележки на преминава­щите край него пътници в конски впрягове. Производителят на автомобили Жанпирен съветвал своите клиенти: „Когато във вашия автомобил има повреда, първо седнете на бордюра на пътя, запалете спокойно цигара и помислете". С право може да се каже, че в миналото пъ­туването с автомобил с двигател с вътрешно горене е било почти подвиг.

Дизело­вият двигател

Бензиновият двигател с вътрешно горене има господствуващо положение при автомо­билите, но не е единственият източник на енергия. Наред с него се използува и дизело­вият двигател. По своето устройство той на­подобява бензиновия. И при него има четири-тактов и двутактов горивен процес. Но неза­висимо от това съществуват основни и фун­кционални различия. В бензиновия двигател горивото се смесва с въздуха, преди да навле­зе в цилиндрите.

В дизело­вия двигател то се смесва с въздуха в цилин­дрите. В първия случай смесообразуването става извън, а във втория - в самия двигател. Дизеловият двигател няма запалителна уред­ба. Първоначално той всмуква въздух и го сгъс­тява до такава степен, че го загрява до 773-973 келвин (500-700°С) и по този на­чин впръскваното гориво се запалва. Дизе­ловият двигател се нарича още двигател със самозапалване, тъй като в края на сгъстява-нето температурата на въздуха се повишава много и газьолът се самозапалва. Повечето от частите на дизеловия двига­тел са еднакви с частите на бензиновия двигател, но са по-здрави, за да могат да из­държат по-големите натоварвания, предизви­кани преди всичко от по-голямата степен на сгъстяване и на намаляване на газовете. В бензиновия двигател горивната смес се сгъс­тява 8-10 пъти, а в дизеловия - 16-23. Вместо запалителна свещ в дизеловия двигател се използуват гориво-впръсквателна помпа. Помпата изпраща в цилиндрите гориво под голямо на­лягане - 784 - 1961 ласкал (80 - 200 атмо­сфери). Дизеловият двигател се различава от бен­зиновия и по използуваното гориво. Вместо с бензин той работи с газьол - също дестила­ционен продукт на нефта, но с по-висока тем­пература на запалване, с по-голяма специ­фична маса. Самовъзпламенява се при около 623 келвина (350°С). Основните предимства на дизеловия дви­гател са две. Преди всичко от по-високата степен на сгъстяване той има по-добър кое­фициент на полезно действие. Коефициентът на полезно действие на съвременния бензи­нов двигател е около 24 процента, т. е. само 24 процента от топлинната енергия се изпол­зува за движение на автомобила, а останали­те 76 са енергийни загуби при охлаждането, от триенето и пр. При дизеловия двигател ко­ефициентът на полезно действие достига 32-35 процента. Второто му предимство е неговата иконо­мичност. Бензиновият двигател изразходва 313—354 грама гориво за киловат в час (230-260 грама за конска сила в час), а ди­зеловия двигател - 245-272 грама газьол (180-200). Но дизеловият двигател е по-голям и по-те­жък. Производството му е по-скъпо, понеже се използуват по-висококачествени и по-скъпи материали. По-масивните му подвижни части го правят по-бавноходен и по-тромав. Авто­мобилът с дизелов двигател не може бързо да се ускорява и няма висока максимална ско­рост. Дизеловият двигател се използува глав­но в товарните автомобили и автобусите. През последните години, с разработването на бързоходни дизелови двигатели, се увеличи из­ползуването им при леките автомобили;

Ванкеловите или ротационни двигатели

Идеята е на изобретателя Феликс Ванкел за създаване на двигател с вътрешно горене на ротационен принцип. Идеята е проста - да се създаде пространство с променлив обем, където да се извърши самото горене. Това се постига чрез планетно-ексцентриков механизъм, който има само два подвижни елемента – въртящо се бутало (ротора) и ексцентриковият вал. Простотата на механизма и липсата на движещи части превръщат двигателя в доста по-лек и компактен. Двигателят има с около 40% по-малко детайли от стандартния двигател. Освен това и генерира по-голяма мощност при същия обем. Първият серийно произведен ванкелов двигател е създаден от NSU. Много фирми закупуват патента и започват да правят свой разработки. Едни от първите фирми, които започват активна дейност са Ауди, Мерцедес, и ВАЗ-Лада. Днес единствено Мазда произвежда серийно автомобили с такъв двигател. Има и дизелови разработки на този мотор. Недостатък на двигателя са по-високият разход на гориво и повечето отделени вредни емисии. Друг недостатък е невъзможността да се прави основен ремонт на двигателя.

Източник "Автомобили", издателство "Отечество", 1984 г.