На всех современных автобусах в качестве источника энергии применяют поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
2.1. Типы двигателей, общее устройство и принцип работы
В двигателе внутреннего сгорания потенциальная тепловая энергия топлива превращается в механическую работу. Полный процесс такого превращения называется рабочим циклом, состоящим из определенного количества тактов.
Такт — часть рабочего цикла, проходящего в процессе перемещения поршня из одного крайнего положения в другое.
По организации рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания делятся на двухтактные и четырехтактные. В настоящее время подавляющее распространение имеют четырехтактные двигатели.
По способу воспламенения горючей смеси двигатели могут быть с искровым воспламенением (бензиновые или газовые) или с воспламенением от сжатия (дизельные). Особо малые, малые и средние автобусы могут иметь как бензиновые или газовые, так и дизельные двигатели, большие и особо большие автобусы оснащаются только дизелями.
По виду применяемого топлива для образования горючей смеси можно использовать бензин, сжиженный или сжатый природный газ, дизельное топливо.
Схема одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с искровым воспламенением представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема одноцилиндрового бензинового двигателя: 1 — цилиндр с картером в сборе; 2 — головка цилиндра; 3 — впускной клапан; 4 — свеча; 5 — выпускной клапан; 6 — поршень; 7 — поршневой палец; 8 — шатун; 9 — маховик; 10 — поддон; 11 — коленчатый вал
Внутри цилиндра 1 установлен соответствующим образом уплотненный поршень 6 цилиндрической формы. Посредством поршневого пальца 7 поршень связан с шатуном 8, который, в свою очередь, установлен на шатунной шейке кривошипа коленчатого вала 11. Коленчатый вал вращается в коренных подшипниках, установленных в картере двигателя. На конце коленчатого вала закреплен маховик 9. К цилиндру присоединяется головка, в которой установлены впускной 3 и выпускной 5 клапаны, управляемые системой газораспределения, и свеча зажигания 4.
Вращение коленчатого вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня внутри цилиндра. Крайние положения поршня называются мертвыми точками, так как в этих точках поршень меняет направление движения и его скорость равна нулю. При верхнем положении поршня это верхняя мертвая точка (ВМТ), при нижнем — нижняя мертвая точка (НМТ). Объем, освобождаемый поршнем при перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называется полным объемом цилиндра.
Рабочий цикл состоит из четырех тактов, совершающихся за два оборота коленчатого вала двигателя.
Первый такт — такт впуска. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан открыт а выпускной — закрыт. Благодаря разрежению, возникающему в пространстве над поршнем при его перемещении вниз, в полость цилиндра засасывается заранее приготовленная горючая смесь.
Второй такт — такт сжатия. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ, при этом оба клапана закрыты. Происходит сжатие находящейся в цилиндре горючей смеси. Оценочный параметр этого процесса — степень сжатия: отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, представляющей собой пространство между головкой цилиндра и поршнем в ВМТ. Для современных двигателей с искровым воспламенением степень сжатия составляет 7…11. Максимальное давление в конце такта сжатия достигает 1,2… 1,7 МПа (12… 17 кг/см2). В конце такта сжатия происходит воспламенение сжатой рабочей смеси электрической искрой, образующейся между электродами свечи зажигания.
Третий такт — рабочий ход. Воспламеняющая смесь сгорает в камере сгорания. Выделяющееся при этом тепло (температура газов, образовавшихся в процессе сгорания горючей смеси, доходит до 2000…2500°С) приводит к увеличению давления до 4,0…5,5 МПа (40…55 кг/см2). Давление газов, воздействуя на поршень, создает силу, толкающую поршень вниз от ВМТ к НМТ. Это усилие через шатун передается на шатунную шейку коленчатого вала, создавая на нем крутящий момент. В течение такта рабочего хода оба клапана закрыты.
Четвертый такт — такт выпуска. Поршень движется вверх от НМТ к ВМТ, впускной клапан закрыт, выпускной — открыт, отработавшие газы выталкиваются поршнем в систему выпуска.
Тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу на валу коленчатого вала только при рабочем ходе поршня, остальные циклы осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком за время рабочего такта, а также работы других поршней в многоцилиндровых двигателях.
Для качественной оценки процесса преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию на валу коленчатого вала двигателя применяют индикаторную диаграмму зависимости давления в цилиндре от рабочего объема цилиндра.
Известно, что работа представляет собой произведение силы на перемещение. При перемещении поршня в цилиндре давление газов на днище поршня создает силу, преобразуемую затем кривошипно-шатунным механизмом в крутящий момент. Произведение площади поршня на его ход представляет собой освобождающийся объем. Следовательно, произведение давления газов на величину объема, освобождаемого поршнем, представляет собой работу, совершаемую двигателем. На рис. 2.2 представлена индикаторная диаграмма бензинового двигателя. По горизонтальной оси отложен объем, по вертикальной — давление.
Рис. 2.2. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя: Vc — объем камеры сгорания; Vh — рабочий объем цилиндра; Va — полный объем цилиндра, Va=Vc+Vh S — ход поршня от ВМТ к НМТ; Р0 — атмосферное давление; Рr — избыточное давление выхлопных газов на такте выпуска; Рa — давление (разрежение) на такте впуска; Рc — давление в конце такта сжатия; Pz — максимальное давление в процессе рабочего ход
Линия г—а— 1 описывает процесс впуска в цилиндр горючей смеси, который заканчивается закрытием впускного клапана при установлении в цилиндре атмосферного давления. Это происходит в начале движения поршня из ВМТ в НМТ.
Линия 1—2 описывает процесс сжатия смеси. В точке 2 горючая смесь воспламеняется электрической искрой, образующейся между электродами свечи.
Линия 2 — 3 описывает процесс сгорания смеси и образования газов как продукта горения с соответствующим повышением давления.
В это время происходит рабочий ход поршня. Этот процесс — единственный, в течение которого совершается полезная работа.
Процессы, описанные выше линиями происходят при закрытых впускном и выпускном клапанах. В точке 3 открывается выпускной клапан. Это происходит до достижения поршнем НМТ.
Линия 3 — г описывает процесс выпуска отработавших газов, которые при избыточном давлении вытесняются в систему выпуска.
Площадь диаграммы, заключенная внутри замкнутой петли, представляет собой полезную работу, совершаемую поршнем. Очевидно, что увеличение давления в конце такта сжатия (т. е. увеличение степени сжатия) приводит к увеличению снимаемой с поршня полезной работы, однако предельное значение степени сжатия ограничено способностью топлива противостоять явлению детонации. Детонацией называется взрывообразный процесс сгорания топлива, проходящий за очень короткий промежуток времени. Детонация ведет к перегреву и разрушению деталей двигателя.
Индикаторный коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания представляет собой отношение полезной работы, выполненной поршнем за один рабочий цикл, совершаемый за два оборота коленчатого вала двигателя, к механическому эквиваленту общей теплотворной способности топлива, сгоревшего в процессе выполнения рабочего цикла. Поскольку при превращении усилия поршня в крутящий момент на коленчатом валу двигателя возникают механические потери на трение, общий, или, как его называют эффективный коэффициент полезного действия двигателя представляет собой произведение индикаторного КПД на механический и составляет для современных ДВС с искровым воспламенением величину 0,25…0,35.
Рабочий процесс двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных) отличается от рабочего процесса двигателей с искровым воспламенением тем, что на такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух. В конце такта сжатия максимальное давление составляет 3…4 МПа (30…40 кг/см2). Такое увеличение давления достигается за счет соответствующей степени сжатия, составляющей у дизелей 15…24.
При таком давлении в конце такта сжатия температура сжатого воздуха резко повышается до 500…700 °С, и в этот момент в цилиндр через форсунку впрыскивается под высоким давлением дизельное топливо. Попавшее в цилиндр топливо смешивается со сжатым воздухом, образуя горючую смесь. Поскольку температура сжатого воздуха превышает температуру самовоспламенения топлива, горючая смесь воспламеняется. Температура газа достигает величины 1600…2100 °С, а давление в цилиндре увеличивается до 6… 10 МПа (60… 100 кг/см2). Дизельное топливо не склонно к появлению детонации при степенях сжатия, реализуемых в дизелях.
На рис. 2.3 представлена индикаторная диаграмма дизельного двигателя. Качественно она имеет такой же вид, как и диаграмма двигателя с искровым воспламенением, однако из-за большей степени сжатия дизеля петля г— 1 —2 —3 —r имеет большую площадь, следовательно, дизель за один рабочий цикл совершает большую полезную работу. Таким образом, индикаторный КПД дизеля выше, чем у бензинового двигателя. Если учесть, что механически е потери у обоих двигателей примерно одинаковы, то эффективный КПД дизеля также выше и составляет 0,35…0,4. Поэтому топливная экономичность автомобилей с дизелями выше. Вместе с тем, высокая степень сжатия дизелей требует повышенной прочности деталей кривошипно-шатунного механизма, что ведет к утяжелению таких двигателей и повышению шума при работе.
Рис. 2.3 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя (обозначения см. на рис. 2.2)
Для увеличения мощности двигателя конструкторы чаще всего идут по пути увеличения числа цилиндров, что также улучшает равномерность работы двигателя. Двигатели современных автобусов имеют 4, 5, 6 и 8 цилиндров.
По расположению цилиндров двигатели могут быть рядные, оппозитные и V-образные (рис. 2.4).
Рис.2.4. Возможные схемы расположения цилиндров: рядное — вертикальное (a) наклонное (б); горизонтальное (в); V-образное (г); оппозитное (д)
Четырехцилиндровые двигатели чаще всего бывают рядными (вертикальными или наклонными) или горизонтальными. В отдельных случаях, из-за компоновочных соображений, применяют оппозитную схему.
Шестицилиндровые двигатели могут иметь рядную или V-образную компоновку.
Рядные двигатели, имеющие более шести цилиндров, имеют увеличенную длину. В этом случае часто применяют V-образную схему. На особо малых и малых автобусах обычно применяют рядные четырехцилиндровые двигатели, как бензиновые и газовые, так и дизельные.
На средних, больших и особо больших автобусах — шести и восьмицилиндровые дизели.
Равномерность работы многоцилиндрового двигателя будет обеспечена в том случае, если одноименные такты в различных цилиндрах будут повторяться через равные углы поворота коленчатого вала.
Поскольку, как указывалось выше, рабочий цикл одного цилиндра осуществляется за два оборота коленчатого вала, т. е. за 720°, то для четырехцилиндрового двигателя повторение одноименных тактов должно происходить через 180° угла поворота коленчатого вала. Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называется порядком работы цилиндров. В четырехцилиндровых двигателях применяют порядок 1—2 — 4 — 3 или 1—3 — 4 — 2.
В шестицилиндровом рядном двигателе повторение одноименных тактов происходит через 120°. Возможный порядок работы 1—5 — 3 — 6 — 2 — 4.
В шестицилиндровом V-образном двигателе с развалом цилиндров 90° шейки коленчатого вала расположены в трех плоскостях под углом 120°. Одноименные такты в цилиндрах двигателя происходят через 90 и 150е, что вызывает некоторую неравномерность работы. Порядок работы здесь может быть такой 1—4 — 2 — 5 — 3 — 6.
В восьмицилиндровом V-образном двигателе с углом развала 90° кривошипы коленчатого вала расположены крестообразно под углом 90°. Одноименные такты повторяются через 90°, что обеспечивает высокую равномерность крутящего момента. Возможный порядок работы 1 — 5 — 4 — 2 — 6 — 3 — 7 — 8 .
В качестве примера в табл. 2.1. представлено чередование тактов в рядном четырехцилиндровом двигателе.
Таблица 2.1. ЧЕРЕДОВАНИЕ ТАКТОВ В РЯДНОМ ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
| Такты | Угол поворота коленчатого вала, град. | Цилиндры | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| Первый | 0°…180° | Рабочий ход | Выпуск | Сжатие | Впуск |
| Второй | 180°…360° | Выпуск | Впуск | Рабочий ход | Сжатие |
| Третий | 360°…540° | Впуск | Сжатие | Выпуск | Рабочий ход |
| Четвертый | 540°…720° | Сжатие | Рабочий ход | Впуск | Выпуск |
Выходной оценочной характеристикой двигателя является его внешняя скоростная характеристика, представляющая собой зависимость вырабатываемой двигателем мощности и крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала. На внешней характеристике можно выделить два характерных режима — режим максимальной мощности и режим максимального момента. Эти параметры указывают в технической характеристике двигателя.
Одним из основных показателей, оценивающих степень совершенства конкретной конструкции ДВС, является расход топлива, необходимый для выработки одного киловатт-часа энергии. Такой показатель называется удельным расходом топлива и измеряется в граммах (r) топлива, необходимого для выработки энергии в размере одного киловатт-часа (кВт/ч). Эта переменная величина зависит как от степени загрузки двигателя, так и от угловой скорости (частоты вращения) коленчатого вала. При полной подаче топлива в цилиндры удельный расход топлива зависит только от угловой скорости коленчатого вала двигателя. На определенной частоте вращения удельный расход имеет минимальное значение, которое также указывается в технической характеристике.
На рис. 2.5 представлена внешняя характеристика дизельного рядного четырехцилиндрового двигателя ГАЗ-560. Из нее видно, что двигатель развивает максимальную мощность 70 КВт при 3750 мин-1, максимальный крутящий момент 200 Н/м при 2250 мин-1 и имеет минимальный удельный расход топлива 220 г/кВт-ч при 2250 мин-1.
Рис. 2.5 Внешняя характеристика дизельного рядного четырехцилиндрового
двигателя ГАЗ-560: Мкр — крутящий момент; Ne — мощность; ge — удельный расход топливе
Поскольку при работе ДВС в атмосферу выбрасываются отработавшие газы, автобус, как и другие транспортные средства, оборудованные ДВС, является источником загрязнения окружающей среды.
ДВС при его работе имеет следующий состав отработавших газов (в процентном содержании от общей массы).
ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИЧНОСТИ ДВС
| Вещества | Бензиновый | Дизель | Степень токсичности |
| Азот (N2) | 74…77 | 74…78 | Не токсичен |
| Кислород (О2) | 0.3…8 | 2…18 | Не токсичен |
| Водяной пар (Н2О) | 3…5.5 | 0.5…9 | Не токсичен |
| Диоксид углерода (СО2) | 5…12 | 1…12 | Малотоксичен |
| Монооксид углерода (СО) | 0.5…12 | 0.005..0,4 | Токсичен |
| Оксиды азота (NOx) | 0,01 ..0,8 | 0.004..0,5 | Токсичны |
| Углеводороды (CxHy) | 0.2…3 | 0.009..0,З | Токсичны |
| Альдегиды (НСО) | 0..0,2 | 0,001..0,009 | Токсичны |
| Сажа (С) | 0..0,04 | 0,01…1,1 | Токсична |
| Бенз(а)пирен | 0…20 | 0…1 | Токсичен, обладает канцерогенными свойствами |
Двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих систем и механизмов:
• кривошипно-шатунного механизма;
• механизма газораспределения;
• системы охлаждения;
• системы смазки;
• системы питания;
• системы зажигания (для двигателей с искровым воспламенением);
• системы пуска.