Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Двигатель автомобиля

Двигатель - самая важная из систем автомобиля. Без двигателя нет движения, а следовательно нет автомобиля. По аналогии со строением человека, двигатель - сердце автомобиля.

В соответствии с предназначением двигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Для того, чтобы получить механическую энергию, в двигателе автомобиля преобразуется другой вид энергии (энергия сгорания топлива, электрическая энергия и др.). Источник энергии при этом должен находиться непосредственно на автомобиле и периодически пополняться.

Передача механической энергии от двигателя на ведущие колеса осуществляется через трансмиссию. Конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название силовая установка.

В зависимости от вида преобразуемой энергии различают следующие основные виды автомобильных двигателей:

· двигатели внутреннего сгорания (сокращенное наименование ДВС);

· электродвигатели;

· комбинированные двигатели, т.н. гибридные силовые установки.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются:

· поршневой двигатель;

· роторно-поршневой двигатель;

· газотурбинный двигатель.

На современных автомобилях наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Автомобиль, использующий в качестве двигателя электродвигатель, называется электромобилем. Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут быть аккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и соответственно низкий запас хода.

Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС - генератор - электродвигатель - колесо) или параллельно (ДВС - трансмиссия - колесо и ДВС - генератор - электродвигатель - колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки.

2. Двигатель внутреннего сгорания

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование - ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

· поршневой двигатель внутреннего сгорания;

· роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;

· газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

· автономность;

· универсальность (сочетание с различными потребителями);

· невысокая стоимость;

· компактность;

· малая масса;

· возможность быстрого запуска;

· многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

· высокий уровень шума;

· большая частота вращения коленчатого вала;

· токсичность отработавших газов;

· невысокий ресурс;

· низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

· бензиновые двигатели;

· дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива - метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

· корпус;

· кривошипно-шатунный механизм;

· газораспределительный механизм;

· впускная система;

· топливная система;

· система зажигания (бензиновые двигатели);

· система смазки;

· система охлаждения;

· выпускная система;

· система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

· впуск;

· сжатие;

· рабочий ход;

· выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск - вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта - сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных - обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

3. Бензиновый двигатель

Среди поршневых двигателей внутреннего сгорания в настоящее время наиболее распространен бензиновый двигатель. В бензиновом двигателе воспламенение топливно-воздушной смеси происходит принудительно за счет электрической искры.

Основными направлениями совершенствования бензиновых двигателей являются:

· снижение расхода топлива;

· снижение токсичности отработавших газов;

· повышение мощности двигателя.

Для реализации этих требований на современных бензиновых двигателях применяются следующие системы:

Таблица 1

Система	Достигаемый эффект
система непосредственного впрыска	снижение расхода топлива снижение токсичности отработавших газов
впускная система	снижение расхода топлива снижение токсичности отработавших газов
турбонаддув	снижение расхода топлива снижение токсичности отработавших газов повышение мощности двигателя
система изменения фаз газораспределения	снижение расхода топлива снижение токсичности отработавших газов повышение мощности двигателя
электронная система зажигания	снижение токсичности отработавших газов
выпускная система	снижение токсичности отработавших газов
система рециркуляции отработавших газов	снижение токсичности отработавших газов
система управления двигателем	снижение расхода топлива снижение токсичности отработавших газов повышение мощности двигателя

Система непосредственного впрыска обеспечивает впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания. В зависимости от режима работы двигателя регулируется количество впрыскиваемого топлива, момент впрыска и образуются разные виды топливно-воздушной смеси (послойная, гомогенная, стехиометрическая гомогенная).

Современная впускная система характеризуется дроссельной заслонкой с электрическим приводом и впускными заслонками на каждый цилиндр. Впускные заслонки разделяют поток воздуха на два канала - свободный и перекрываемый заслонкой. Закрытые впускные заслонки обеспечивают послойное смесеобразование за счет вихревого движения воздуха в камере сгорания.

Турбонаддув является достаточно эффективной системой повышения мощности бензинового двигателя, основывающейся на сжатии всасываемого воздуха с помощью энергии отработавших газов. Вместе с тем, применение турбонаддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью наступления детонации.

Система изменения фаз газораспределения обеспечивает эффективную работу газораспределительного механизма в разных режимах работы двигателя (холостой ход, низкие обороты, высокие обороты). В различных конструкциях систем эффект достигается за счет изменения момента открытия (закрытия) клапанов, продолжительности их открытия, а также высоты подъема.

Наиболее совершенной системой воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя является электронная система зажигания, в которой создания и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется посредством электронных компонентов - датчиков и блока управления.

Выпускная система помимо выпуска отработавших газов в значительной степени снижает и их токсичность. Эту функцию в системе выполняет каталитический нейтрализатор, работающий под управлением кислородного датчика - лямбда-зонда.

Снижению токсичности отработавших газов способствует система рециркуляции отработавших газов. Система уменьшает содержание в отработавших газах оксида азота путем возврата их части во впускной коллектор.

Система управления двигателем объединяет работу всех перечисленных систем, обеспечивая их оптимальное функционирование на всех режимах работы двигателя.

4. Дизельный двигатель

Благодаря своим качествам дизельный двигатель широко применяется на грузовых автомобилях и внедорожниках. Вместе с тем, большинство легковых автомобилей имеют в линейке своих моторов дизельные двигатели.

Принцип работы дизельного двигателя основан на самопроизвольном (компрессионном) воспламенении дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания и смешиваемого со сжатым и нагретым до высокой температуры воздухом.

В отличие от бензинового двигателя дизельный двигатель:

· имеет большую степень сжатия и как следствие более высокий коэффициент полезного действия, больший вес и габариты, низкий расход топлива;

· имеет низкие обороты коленчатого вала и как следствие меньшую удельную мощность, сопровождаемые неполным сгоранием топлива, сажеобразованием;

· не имеет дроссельной заслонки, поэтому развивает высокий крутящий момент на низких оборотах;

· имеет сложную конструкцию топливной аппаратуры и как следствие высокую чувствительность к качеству топлива.

Основными направлениями совершенствования дизельных двигателей являются:

· снижение расхода топлива;

· снижение токсичности отработавших газов;

· повышение мощности двигателя;

· снижение уровня шума;

· облегчение холодного запуска.

Для реализации этих требований на современных дизельных двигателях применяются следующие системы:

Таблица 2

Система	Достигаемый эффект
Система впрыска Common Rail	снижение расхода топлива; снижение токсичности отработавших газов; снижение уровня шума
Выпускная система	снижение токсичности отработавших газов
Система рециркуляции отработавших газов	снижение токсичности отработавших газов
Впускная система	снижение расхода топлива; снижение токсичности отработавших газов; повышение мощности двигателя
Турбонаддув	снижение расхода топлива; снижение токсичности отработавших газов; повышение мощности двигателя
Система предпускового подогрева	облегчение холодного запуска

Система впрыска Common Rail предполагает накопление топлива в аккумуляторе высокого давления и его впрыск электронно-управляемыми форсунками. Электроника обеспечивает впрыск строго определенных порций топлива, чем достигается высокая экономия, полное сгорание и повышение мощности. При необходимости топливо может впрыскиваться многократно в течение одного цикла.

Выпускная система современного дизеля ориентирована на снижение в отработавших газах сажи, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Для этого в системе устанавливается сажевый фильтр с каталитическим покрытием. Накапливаемая в фильтре сажа удаляется путем активной и пассивной регенерации.

Система рециркуляции отработавших газов предназначена для снижения содержания в отработавших газах оксида азота, для чего часть газов возвращается во впускной коллектор. Для повышения эффективности работы системы отработавшие газы принудительно охлаждаются в специальном охладителе, включенном в систему охлаждения двигателя.

Впускная система дизельного двигателя может оборудоваться впускными заслонками. Применение заслонок образует два канала всасывания, обеспечивает завихрение воздушного потока и улучшенное смесеобразование на всех режимах. При запуске двигателя и работе на низких оборотах заслонки закрыты, при высокой частоте вращения коленчатого вала и высоком крутящем моменте - открыты. Закрытие заслонок приводит к снижению в отработавших газах оксида углерода и несгоревших углеводородов.

Наиболее эффективной системой повышения мощности дизельного двигателя является турбонаддув. Для создания оптимального давления наддува на всех режимах работы двигателя в системе используется турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины.

Для облегчения запуска дизельного двигателя в холодное время применяется система предпускового разогрева, представляющая собой электронно-управляемые свечи накаливания, установленные во впускном коллекторе.

5. Гибридный автомобиль

Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин гибридный двигатель, который с технической точки зрения неверен.

Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.

Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:

· согласованной работе ДВС и электродвигателя;

· применением аккумуляторов большой емкости;

· использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.

Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе:

· система изменения фаз газораспределения;

· система стоп-старт;

· система рециркуляции отработавших газов;

· система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами;

· улучшенная аэродинамика;

· электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса, климатической установки, усилителя руля и др.);

· шины с пониженным сопротивлением качению.

Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды не так эффективны.

В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок:

· последовательная схема;

· параллельная схема;

· последовательно-параллельная схема.

При последовательной схеме автомобиль приводится в движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.

В гибридном автомобиле с последовательной схемой силовой установки, как правило, предусматривается возможность подключения к электрической сети по окончании поездки. Такие автомобили носят название Plug-in Hybrid (дословно - подключаемый гибрид). Реализация данной функции предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости (литий-ионные аккумуляторы), приводит к сокращению использования ДВС и соответственно снижению вредных выбросов.

Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие ДВС.

В параллельной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически управляемых муфт.

Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название умеренных гибридов (Mild Hybrid). В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт), который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель, расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию стартера и генератора.

Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной области является Honda и ее система Integrated Motor Assist, IMA (дословно - интегрированный помощник двигателя).

При работе системы IMA можно выделить следующие характерные режимы:

1. Работа от электродвигателя.

2. Совместная работа ДВС и электродвигателя.

3. Работа от ДВС с одновременной зарядкой аккумулятора от электродвигателя в режиме генератора.

4. Зарядка аккумуляторной батареи в режиме рекуперативного торможения.

При последовательно-параллельной схеме двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу электродвигателя.

Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название полный гибрид (Full Hybrid). Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy Drive, HSD.

Силовая установка системы HSD представляет собой:

· двигатель внутреннего сгорания, соединенный с водило планетарного редуктора;

· электродвигатель, соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора;

· генератор, соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора.

Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы.

В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:

1. Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.

2. Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи.

3. Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности.

4. Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность.

5. Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.

6. Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.

6. Кривошипно-шатунный механизм

В соответствии с предназначением кривошипно-шатунный механизм (сокращенное название - КШМ) воспринимает давление газов, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, и преобразует его в механическую работу по вращению коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих основных элементов:

· поршни;

· шатуны;

· гильзы (втулки) цилиндров;

· коленчатый вал;

· маховик.

Поршень воспринимает давление расширяющихся при высокой температуре газов и передает его на шатун. Поршень изготавливается из алюминиевых сплавов. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется в гильзе цилиндра.

Поршень состоит из единых днища, головки и юбки. Днище поршня может иметь различную форму (плоскую, выпуклую, вогнутую и др.), в нем также может быть выполнена камера сгорания (дизельные двигатели).



Рис. 1 Схема кривошипно-шатунного механизма

В головке нарезаны канавки для размещения поршневых колец. На современных двигателях используется два типа колец: маслосъемные и компрессионные. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла на стенках цилиндра. В юбке выполнены две бобышки для размещения поршневого пальца, который соединяет поршень с шатуном.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, для этого он имеет шарнирное соединение и с поршнем и с коленчатым валом. Шатуны изготавливаются, как правило, из стали путем штамповки или ковки. Шатуны двигателей спортивных автомобилей отлиты из сплава титана.

Конструктивно шатун состоит из верхней головки, стержня и нижней головки. В верхней головке размещается поршневой палец. Предусматривается вращение поршневого пальца в головке шатуна и бобышках поршня. Такой палец имеет название «плавающий». Стержень шатуна имеет двутавровое сечение. Нижняя головка выполнена разборной, что позволяет обеспечить соединение с шейкой коленчатого вала. Современной технологией является контролируемое раскалывание цельной нижней головки шатуна. Благодаря неповторимой поверхности излома обеспечивается высокая точность соединения частей нижней головки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатуна и преобразует их в крутящий момент. Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочного чугуна и стали. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками. Щеки образуют противовесы шатунным шейкам. Коренные и шатунные шейки вращаются в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных тонкостенных вкладышей. Внутри шеек и щек коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла, которое к каждой их шеек подается под давлением.

На конце коленчатого вала устанавливается маховик. В настоящее время применяются т.н. двухмассовые маховики, представляющие собой упруго соединенных два диска. Через зубчатый венец маховика производится запуск двигателя стартером.

Для предотвращения крутильных колебаний (чередующееся закручивание и раскручивание коленчатого вала) на другом конце коленчатого вала может устанавливаться гаситель крутильных колебаний. Гаситель колебаний состоит из двух металлических колец, соединенных через упругую среду (эластомер, вязкое масло). На внешнем кольце гасителя крутильных колебаний выполнен ременной шкив (звездочка цепи).

В совокупности поршень, шатун и гильза цилиндров образуют цилиндро-поршневую группу или просто цилиндр. Современный двигатель может иметь от одного до 16 (Bugatti Veyron) и более цилиндров.

Различают следующие компоновочные схемы расположения цилиндров в двигателе:

· рядная (оси цилиндров расположены в одной плоскости);

· V-образная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях);

· оппозитная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под углом 180°);

· VR (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под малым углом);

· W-образная (две VR схемы, расположенных V-образно со смещением на одном коленчатом валу).

Компоновочная схема определяет уровень балансировки двигателя. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяются балансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

7. Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (другое наименование - система газораспределения, сокращенное наименование - ГРМ) предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработавших газов.

На широко распространенных четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания применяются клапанные газораспределительные механизмы, поэтому устройство ГРМ рассмотрено именно на его примере.

Газораспределительный механизм имеет следующее общее устройство:

· клапаны;

· привод клапанов;

· распределительный вал;

· привод распределительного вала.

Клапаны непосредственно осуществляют подачу в цилиндры воздуха (топливно-воздушной смеси) и выпуск отработавших газов. Клапан состоит из тарелки и стержня. На современных двигателях клапаны располагаются в головке блока цилиндров, а место соприкосновения клапана с ней называется седло.



Рис. 2 Схема газораспределительного механизма

Различают впускные и выпускные клапаны. Для лучшего наполнения цилиндров диаметр тарелки впускного клапана больше, чем выпускного.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень. Пружина закреплена на стержне с помощью тарелки пружины и сухарей. Клапанные пружины имеют определенную жесткость, обеспечивающую закрытие клапана при работе. Для предупреждения резонансных колебаний на клапанах может устанавливаться две пружины меньшей жесткости, имеющие противоположную навивку.

Клапаны изготавливаются из сплавов. Рабочая кромка тарелки клапана усилена. Стержень впускного клапана, как правило, полнотелый, а выпускного - полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения.

Большинство современных ДВС имеют по два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр. Помимо данной схемы ГРМ используется трехклапанная схема (два впускных, один выпускной), пятиклапанная схема (три впускных, два выпускных). Использование большего числа клапанов ограничивается размером камеры сгорания и сложностью привода.

Открытие клапана осуществляется с помощью привода, обеспечивающего передачу усилия от распределительного вала на клапан. В настоящее время применяются две основные схемы привода клапанов:

· гидравлические толкатели;

· роликовые рычаги.

Роликовые рычаги в качестве привода более предпочтительны, т.к. имеют меньшие потери на трение и меньшую массу. Роликовый рычаг (другие наименования - коромысло, рокер, от английского «коромысло») одной стороной опирается на стержень клапана, другой - на гидрокомпенсатор (в некоторых конструкциях на шаровую опору). Для снижения потерь на трение место сопряжения рычага и кулачка распределительного вала выполнено в виде ролика.

С помощью гидрокомпенсаторов в приводе клапанов реализуется нулевой тепловой зазор во всех положениях, обеспечивается меньший шум и мягкость работы. Конструктивно гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Гидравлический компенсатор, расположенный непосредственно на толкателе клапана, носит название гидротолкателя.

Распределительный вал обеспечивает функционирование газораспределительного механизма в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. Он представляет собой вал с расположенными кулачками. Форма кулачков определяет фазы газораспределения, а именно моменты открытия-закрытия клапанов и продолжительность их работы. Существенное повышение эффективности ГРМ, а следовательно и улучшение характеристик двигателя дает применение различных систем изменения фаз газораспределения.

На современных двигателях распределительный вал расположен в головке блока цилиндров, при этом различают две таких схемы:

· одновальная - SOHC (Single OverHead Camshaft);

· двухвальная - DOHC (Duble OverHead Camshaft).

В связи с применением четырех клапанов на один цилиндр предпочтение отдается двухвальной схеме ГРМ (один распределительный вал обеспечивает привод впускных клапанов, другой вал - выпускных).

Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала с помощью привода, который осуществляет его вращение в два раза медленнее коленчатого вала (за один цикл работы двигателя конкретный клапан открывается только один раз). В качестве привода распределительного вала используются следующие виды передач:

· ременная;

· цепная;

· зубчатая.

Ременная и зубчатая передачи приводят в действие распределительный вал, расположенный в головке блока цилиндров. Зубчатая передача вращает, как правило, распределительный вал в блоке цилиндров.

Ременная и цепная передачи имеют как достоинства, так и недостатки, поэтому в ГРМ применяются на равных. Цепной привод более надежный, но цепь тяжелее ремня, поэтому требует дополнительных устройств для натяжения и гашения колебаний.

Ременной привод не требует смазки, поэтому на шкивы устанавливается открыто. Вместе с тем, ремень в сравнении с цепью имеет ограниченный ресурс. В качестве ременного привода распределительного вала широко используются зубчатые ремни.

8. Десмодромный механизм

Десмодромным называется вид газораспределительного механизма, обеспечивающий непосредственное управление подъемом и опусканием клапанов, чем достигается их своевременное открытие и закрытие на всех оборотах коленчатого вала двигателя.

Десмодромный механизма получил свое название от двух греческих слов desmos (управление, связь, контроль) и dromos (действие, движение) - «управляемое движение».

В 50-е годы прошлого века десмодромная схема газораспределения применялась на гоночных автомобилях Mercedes-Benz. В настоящее время десмодромный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, устанавливаемых на гоночных мотоциклах Ducati, и является визитной карточкой фирмы.

Десмодромный механизм имеет общепринятое международное название Desmodromic.

Управляемое движение клапана в десмодромном механизме осуществляется с помощью специального привода, который включает:

· распределительный вал с кулачками специальной формы (по другой схеме - два распределительных вала, один на закрытие, другой на открытие клапанов);

· два коромысла, обеспечивающих открытие и закрытие каждого клапана;

· элементов соединения (шайб) коромысла с клапаном.

Рис. 4 Схема десмодромного механизма

Применение десмодромного механизма позволяет предотвратить, т.н. «зависание клапанов» (неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мертвой точки), возникающее вследствие высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, инерции клапана и резонанса пружины. Зависание клапанов может привести к серьезным проблемам:

· столкновение поршня с клапаном, и как следствие их разрушение;

· перегрев клапанов, и как следствие их коробление и разрушение;

· преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси, и как следствие уменьшение давления газов, снижение мощности двигателя, увеличение вредных выбросов.

Наряду с системой Desmodromic проблема зависания клапанов на современных двигателях решается и другими способами:

· применением нескольких (двух-трех) пружин, расположенных одна в другой и предотвращающих резонансные колебания;

· применением новых материалов и сплавов для изготовления клапанов и пружин, снижающих их вес;

· использованием пневматического привода клапанов (на спортивных автомобилях Формулы-1).

Десмодромная схема газораспределения имеет ряд существенных недостатков, сдерживающих ее широкое применение:

· высокая стоимость конструкции, обусловленная точностью сопряженных деталей;

· сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу;

· высокий уровень шума;

· громоздкость системы и как следствие применение на мотоциклетных двигателях.

Система Desmodromic не является идеальным техническим решением, но несмотря на это продолжает применяться по сей день.

9. Система впрыска

На современных автомобилях используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (другое наименование инжекторная система, от injection - впрыск) предназначена для образования топливно-воздушной смеси за счет впрыска топлива.

Системы впрыска устанавливаются на автомобили с бензиновыми и дизельными двигателями. Вместе с тем, конструкции систем впрыска бензиновых и дизельных двигателей существенным образом различаются.

Система впрыска топлива входит в состав топливной системы автомобиля. Основным рабочим органом системы впрыска является форсунка (инжектор).

В зависимости от способа образования топливно-воздушной смеси системы впрыска бензиновых двигателей разделяются:

· системы центрального впрыска;

· системы распределенного впрыска;

· системы непосредственного впрыска.

Центральный впрыск (моновпрыск) осуществляется одной форсункой, устанавливаемой во впускном коллекторе.

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) предполагает подачу топлива на каждый цилиндр отдельной форсункой. Образование топливно-воздушной смеси происходит во впускном коллекторе.

Перспективной с точки зрения топливной экономичности является система непосредственного впрыска. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра.

Системы впрыска бензиновых двигателей могут иметь механическое или электронное управление. Наиболее совершенным является электронное управление впрыском, обеспечивающее значительную экономию топлива и сокращение вредных выбросов.

Впрыск топлива в системе может осуществляться непрерывно или импульсно (дискретно). Перспективным с точки зрения экономичности является импульсный впрыск топлива.

В двигателе система впрыска обычно объединена с системой зажигания и составляет объединенную систему впрыска и зажигания (Motronic, Fenix). Согласованную работу систем обеспечивает система управления двигателем.

Современными системами впрыска дизельных двигателей являются:

· система впрыска Сommon Rail;

· система впрыска насос-форсунками.

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления - топливной рампы (в переводе Common Rail - "общая рампа").

В системе впрыска насос-форсунками функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве - насос-форсунке.

Системы впрыска дизельных двигателей имеют электронное управление.

10. Система центрального впрыска

Система центрального впрыска (моновпрыск) относится к системам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива одной форсункой, расположенной на впускном коллекторе двигателя.

Известными конструкциями системы центрального впрыска являются системы Mono-Jetronic и Opel-Multec. Система впрыска Mono-Jetronic разработана фирмой Bosch в 1975 году. Система устанавливалась на автомобили марки Volkswagen, Audi .

11. Устройство системы впрыска Mono-Jetronic

Система Mono-Jetronic имеет следующее устройство:

· регулятор давления;

· центральная форсунка впрыска;

· дроссельная заслонка с механическим приводом;

· электросервопривод дроссельной заслонки;

· электронный блок управления;

· входные датчики.



Рис. 5 Схема системы центрального впрыска Mono-Jetronic

Регулятор давления поддерживает постоянное рабочее давление в системе впрыска (0,1МПа). Кроме этого, с помощью регулятора в системе после выключения двигателя сохраняется остаточное давление, что препятствует образованию воздушных пробок и облегчает пуск двигателя.

Центральная форсунка впрыска обеспечивает импульсный впрыск топлива. Форсунка представляет собой электромагнитный клапан. Управление клапаном осуществляется электрическим сигналом, поступающим от электронного блока управления. В конструкцию форсунки входит:

· электромагнитная катушка (соленоид);

· запорный клапан;

· возвратная пружина;

· распылительное сопло.

Дроссельная заслонка предназначена для регулирования объема поступающего воздуха. Дроссельная заслонка имеет два привода: механический и электрический. Механический привод осуществляется от педали газа.

Электросервопривод дроссельной заслонки служит для стабилизации оборотов холостого хода за счет принудительного открытия дроссельной заслоники.

Электронный блок управления осуществляет управление центральной форсункой впрыска (электромагнитным клапаном) и электросервоприводом дроссельной заслонкой. Блок управления включает микропроцессор и блок памяти. В блоке памяти помещена информация об эталонной характеристике впрыска (соотношение компонентов топливно-воздушной смести на всех режимах работы двигателя).

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. В системе используются следующие датчики:

· датчик момента впрыска;

· датчик положения дроссельной заслонки;

· датчик температуры воздуха;

· датчик температуры охлаждающей жидкости;

· датчик оборотов двигателя;

· выключатель сервопривода;

· датчик концентрации кислорода.

По показаниям датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки рассчитывается необходимый объем воздуха в системе впрыска.

Масса всасываемого воздуха, через плотность, находится в прямой зависимости от температуры. Чем холоднее воздух, тем он более плотный, а значит обладает большей массой. Датчик температуры воздуха расположен перед центральной форсункой впрыска.

Дроссельная заслонка устроена так, что каждому ее положению соответствует определенное количество пропускаемого воздуха. Этот параметр фиксирует датчик положения дроссельной заслоники, представляющий собой потенциометр. Датчик положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр) установлен непосредственно на оси привода заслонки.

В случае отказа датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки их работа дублируется сигналами датчика оборотов и датчика температуры охлаждающей жидкости (температуры двигателя).

Впрыск топлива осуществляется на основании сигналов датчика момента впрыска, которые подаются одновременно с сигналами на воспламенение топливно-воздушной смеси.

Выключатель сервопривода обеспечивает работу системы в режиме холостого хода двигателя. Замкнутое положение выключателя свидетельствует о режиме холостого хода, при этом включается электросервопривод дроссельной заслонки и поворачивает ее на определенный угол.

Датчик концентрации кислорода (кислородный датчик) предназначен для поддержания оптимального соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. Датчик устанавливается в выпускной системе:

· в выпускном коллекторе;

· на автомобилях с каталитическим нейтрализатором - перед нейтрализатором.

12. Принцип работы системы впрыска Mono-Jetronic

При работе двигателя сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. По совокупности сигналов и информации об эталонных характеристиках впрыска блок управления вычисляет начало и продолжительность открытия центральной форсунки. В соответствии с расчетными данными подается сигнал на электромагнитную катушку форсунки. Запорный клапан открывается. Бензин через сопло под давлением распыляется во впускном коллекторе и смешивается с воздухом. Образуемая топливно-воздушная смесь подается в камеры сгорания двигателя.

В системе предусмотрена автоматическая стабилизация оборотов. На основании сигнала выключателя сервопривода электродвигатель открывает дроссельную заслонку на определенный угол, чем достигается устойчивая работа в режиме холостого хода.

Конструкция и принцип работы системы впрыска Opel-Multec аналогичны системе Mono-Jetronic.

13. Система распределенного впрыска

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) относится к системам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива в каждый цилиндр отдельной форсункой.

По принципу действия системы распределенного впрыска топлива разделяются на системы непрерывного и импульсного впрыска.

В зависимости от вида управления различают системы распределенного впрыска с механическим и электронным управлением.

Известными конструкциями системы распределенного впрыска топлива являются:

· система впрыска K-Jetronic;

· система впрыска KE-Jetronic;

· система впрыска L-Jetronic.

Основным производителем систем впрыска является фирма Bosch.

Система распределенного впрыска K-Jetronic является механической системой непрерывного впрыска топлива.

Система распределенного впрыска KЕ-Jetronic представляет собой механическую систему непрерывного впрыска топлива с электронным управлением.

Система распределенного впрыска L-Jetronic является системой импульсного впрыска с электронным управлением.

14. Система непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.

Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi.

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection - послойный впрыск топлива). Система представляет собой дальнейшее развитие объединенной системы впрыска и зажигания Motronic.

Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя FSI и имеет следующее устройство:

· топливный насос высокого давления;

· регулятор давления топлива;

· топливная рампа;

· предохранительный клапан;

· датчик высокого давления;

· форсунки впрыска;

· блок управления двигателем;

· входные датчики.

Рис 6. Схема системы непосредственного впрыска

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от впускного распределительного вала двигателя.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления.

Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре.

Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе.

Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива для образования определенного вида топливно-воздушной смеси.

Блок управления двигателем в совокупности с входными датчиками образуют систему управления двигателем.

Система управления двигателем, помимо системы впрыска, обеспечивает управление:

· топливной системой;

· впускной системой;

· системой зажигания;

· выпускной системой.

Принцип действия системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает следующие виды смесеобразования:

· послойное смесеобразование;

· стехиометрическое гомогенное смесеобразование;

· гомогенное смесеобразование.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование - легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование - однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.

15. Система впрыска Motronic

Система впрыска Motronic относится к системам впрыска топлива бензиновых двигателей и является объединенной системой впрыска и зажигания. В данной системе управление системой впрыска и системой зажигания осуществляется совместно. Система впрыска Motronic (Мотроник) производится фирмой Bosch.

Система Motronic имеет следующее общее устройство:

· входные датчики;

· электронный блок управления;

· система впрыска;

· система зажигания.

Рис. 7 Схема системы впрыска L-Motronic

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. Различают следующие входные датчики:

· датчик углового положения коленчатого вала;

· датчик частоты вращения коленчатого вала;

· датчик объема воздуха;

· датчик температуры воздуха;

· датчик температуры охлаждающей жидкости;

· датчик напряжения аккумуляторной батареи;

· датчик положения дроссельной заслонки;

· кислородный датчик;

· и другие.

Электронный блок управления служит для преобразования сигналов датчиков в управляющие сигналы системам впрыска и зажигания. В электронный блок управления входят:

· аналогово-цифровой преобразователь;

· микропроцессор;

· блок постоянной памяти;

· блок оперативной памяти;

· усилитель.

Cистема Motronic может включать различные системы впрыска:

· Mono-Jetronic;

· KE-Jetronic;

· L-Jetronic;

· и другие.

16. Принцип действия системы Motronic

От входных датчиков в электронный блок управления поступают аналоговые сигналы, характеризующие текущее состояние работы двигателя. В аналогово-цифровом преобразователе аналоговые сигналы преобразуются в цифровую информацию. Электронный бок управления обрабатывает информацию с помощью программы, заложенной в блок постоянной памяти. Для выполнения вычислений используются блок оперативной памяти.

На основании проведенных вычислений формируются электрические сигналы, которые после усиления используются для управления системой впрыска и системой зажигания.

Фирма Siemens также выпускает объединенные системы впрыска и зажигания под маркой Fenix.

17. Система впрыска Common Rail

Система впрыска Common Rail является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Система впрыска разработана специалистами фирмы Bosch. Работа системы Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления - топливной рампы (Common Rail в переводе общая рампа).

Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Система впрыска Common Rail конструктивно составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя.

Система Common Rail имеет следующее устройство:

· топливный насос высокого давления;

...