Автоцентр 37
Обслуживание, диагностика, ремонт автокондиционеров и автомобильных подогревателей
+7 (499) 123-64-50
+7 (925) 054-41-03 Обратный звонок
Заявка
на обслуживание
На главную
Отправить письмо
Карта сайта

История создания первого двигателя

Каким бы сложным ни являлось устройство современного двигателя, его суть может быть представлена весьма просто. Двигатель содержит цилиндр, поршень (отсюда название поршневой), палец, шатун, коленчатый вал и картер. Другие детали и системы двигателя условно не показаны. Картер с цилиндром жестко соединен и относительно неподвижен. Поршень с пальцем двигается линейно или возвратно-поступательно. При этом крайние положения называются верхней и нижней мертвые точками (ВМТ и НМТ), соответственно. Коленчатый вал вращается. Шатун совершает комплексное движение. Верхний его конец, охватывающий палец, движется линейно, нижний конец, охватывающий коленчатую шейку, вращается.

Остальные части шатуна участвуют одно временно в обоих движениях, описывая эллиптические траектории. При этом, смещаясь вдоль шатуна от одного конца к другому, один вид движения плавно "перетекает" в другой. Между глухим торцом цилиндра и дном поршня, находящимся в положении ВМТ, образуется полость, называемая камерой сгорания. Вся механическая часть двигателя называется кривошипно-шатунным механизмом.

Первый двигатель, созданный французом Ленуаром, работал следующим образом. Из положения ВМТ поршень, двигаясь вниз, засасывал воздушно-топливную смесь (фаза "впуск"). На полпути к НМТ (a = 90°) топливная смесь поджигалась, и начиналась фаза "расширения". Далее от НМТ до ВМТ осуществлялся "выпуск", и рабочий цикл повторялся. Как видим, первый двигатель был двухтактным, смесь горела относительно медленно, а создаваемое давление было незначительным. Тем не менее, эти двигатели нашли спрос, и началось их серийное производство.

Немец Отто, проводя эксперименты с двигателем Ленуара, нечаянно все напутал. Цилиндр полностью заполнился горючей смесью, поршень сжал ее, и тогда произошло зажигание. Двигатель так "закрутился", что Отто испугался и выключил его, но двигатель долго еще вращался по инерции. Отто понял - произошло что-то очень важное, и стал вспоминать, что он сделал "не так". К счастью, он вспомнил это, и все повторилось. Так наступила новая эра человеческой цивилизации - появился двигатель, работающий по циклу Отто.

Почему сжатие резко повысило эффективность двигателя? Ведь для сжатия воздушно-топливной смеси требуется тратить заметную энергию. Все правильно.

Но взамен мы получаем:

  • повышение силы давления горючих газов на дно поршня пропорционально степени сжатия
  • максимальное расширение рабочей фазы
  • быстрое сгорание сжатой топливно-воздушной смеси в условиях неизменного объема камеры сгорания

Казалось бы, повышай теперь степень сжатия до бесконечности и езди, почти не тратя топлива. На самом деле это не так, но об этом чуть позже.

Теоретическая модель двигателя

Как мы убедились, в двигателе происходит последовательное преобразование четырех основных видов энергии E1 fi E2 fi E3 fi E4, где

Е1 - химическая энергия (топлива);
Е2 - тепловая энергия (газов);
Е3 - линейная механическая энергия (поршня);
Е4 - механическая энергия вращения (коленчатого вала).

Кроме того, в двигателе циркулирует ряд неосновных видов энергий, например, электрическая. Каждое преобразование энергий Ei fi Ei+1сопровождается потерями i-ой энергии DЕi. К.п.д. двигателя определяется по формуле K = k1·k2·k3·k4, где к.п.д. преобразования i-ой энергии ki = 1 - DEi/Ei Следует иметь в виду, что двигатель имеет циклический принцип действия, т. е. все процессы непостоянны во времени, но периодически повторяются с определенной долей нестабильности. Кроме того, все процессы зависят от режима работы, например, от частоты вращения вала двигателя w и нагрузки Rн.

Потери энергий (DEi)

Потери указанных видов энергии можно дифференцировать на отдельные составляющие.

  1. Потери химической энергии топлива DE1:
    • прямые потери в выхлопную трубу;
    • потери из-за неполного сгорания топлива в пристеночном пространстве и щелях;
    • потери из-за больших размеров капель топлива, особенно при большой частоте вращения коленвала;
    • потери из-за богатой воздушно-топливной смеси, например, на режиме холостого хода.
  2. Потери тепловой энергии газов DЕ2:
    • потери из-за декомпрессии;
    • потери, вызванные окислением и горением топлива в фазе "сжатие";
    • потери в выхлопную трубу;
    • потери в стенки камеры сгорания и цилиндра;
  3. Потери линейной механической энергии поршня DЕ3:
    • осевые потери (потери преобразования в кривошипно-шатунном механизме);
    • инерционные потери, зависящие от частоты вращения вала двигателя;
    • потери на трение поршневых колец о цилиндр;
    • потери на трение из-за асимметричной реакции шатуна;
    • потери при кратковременном заклинивании поршня из-за асимметричного горения (растут с увеличением нагрузки).
  4. Потери механической энергии вращения вала DЕ4:
    • потери на работу вспомогательных механизмов и устройств (газораспределения, питания, смазки, охлаждения, электрогенератор и др.);
    • потери на подготовительные фазы ("впуск", "выпуск", "сжатие");
    • инерционные потери, зависящие от скорости изменения частоты вращения вала двигателя.
    • Любопытно, но чем больше потери D Е1, D Е2 и D Е3, тем выше потери D Е4.

Выводы

1. Теоретическая модель двигателя содержит четыре вида энергий, последовательно преобразующихся друг в друга с потерями 2. К.п.д. двигателя есть произведение как минимум 16 коэффициентов ki, принимающие значения от 0 до 1. 3. К.п.д. двигателя есть переменная функция, которая принимает значение от 0 до Kмакс и зависит не только от режима работы двигателя (w, Rн), но и угла поворота коленчатого вала. Так, на холостом ходу, а также в ВМТ и НМТ значение К = 0. Во время подготовительных фаз К со знаком минус 4. Двигатель, показанный на рис. 1, предельно прост, но платой за эту простоту является наличие большого количества неоправданных потерь. Чему же в итоге равняется к.п.д.?

При написании статьи использованы материалы журнала "Двигатель"
Центр технического обслуживания и
ремонта автокондиционеров объявляет о
снижении цен на заправку кондиционеров!