Вплив температури на двигун внутрішнього згоряння

Більша кількість теплової енергії відводиться від двигуна в систему охолодження і відноситься з газами, що відпрацювали. Відведення теплоти в систему охолодження необхідне для того, щоб перешкодити пригоранню поршневих кілець, обгоранню сідел клапанів, задир і заклинювання поршня, розтріскування головок циліндрів, виникнення детонації і т. п. Для відведення теплоти в атмосферу частина ефективної потужності двигуна витрачається на привід вентиля насос. При повітряному охолодженні потужність, що витрачається на привід вентилятора, вища через необхідність подолання великого аеродинамічного опору, що створюється ребра головок і циліндрів.

Для зниження втрат важливо з'ясувати скільки теплоти необхідно відводити в систему охолодження двигуна і яким способом можна зменшити цю кількість. Г. Рікардо приділяв цьому питанню велику увагу вже на початковому етапі розвитку двигунобудування. На експериментальному одноциліндровому двигуні з роздільними системами охолодження для головки блоку циліндра і для циліндра проводилися досліди вимірювання кількості теплоти, що відводиться в ці системи. Вимірювалася кількість теплоти, що відводиться охолодженням протягом окремих фаз робочого циклу.

Час згоряння дуже малий, але за цей період тиск газів значно зростає, а температура сягає 2300-2500 °С. При згорянні в циліндрі інтенсивно протікають процеси переміщення газів, що сприяють тепловіддачі стінки циліндра. Теплоту, зекономлену в цій фазі робочого циклу, можна перетворити на корисну роботу протягом подальшого ходу розширення. При згорянні близько 6 % теплової енергії, що міститься в паливі, втрачається через теплопередачу стінкам камери згоряння та циліндра.

Протягом ходу розширення стінок циліндра передається близько 7% теплової енергії палива. При розширенні поршень переміщається з ВМТ НМТ і поступово звільняє все більшу поверхню стінок циліндра. Однак лише близько 20 % теплоти, заощадженої навіть за тривалого часу розширення, можна перетворити на корисну роботу.

Близько половини теплоти, що відводиться в систему охолодження, посідає такт випуску. Гази, що відпрацювали, виходять з циліндра з великою швидкістю і мають високу температуру. Частина їхньої теплоти відводиться в систему охолодження через випускний клапан і випускний канал головки циліндра. Безпосередньо за клапаном потік газів змінює напрямок майже на 90°, при цьому виникають вихори, що інтенсифікує тепловіддачу стінки випускного каналу.

Гази, що відпрацювали, необхідно відводити з головки циліндра найкоротшим шляхом, оскільки передана їй їх теплота помітно навантажує систему охолодження і для її відведення в навколишнє повітря потрібно використання частини ефективної потужності двигуна. У період випуску газів у систему охолодження приділяється близько 15 % теплоти, що міститься в паливі. Тепловий баланс бензинового двигуна наведено у табл. 8.

Таблиця 8. Тепловий баланс бензинового двигуна

	Частка у балансі %
		32
у фазі згоряння	6
під час розширення	7
під час випуску	15
Загальна	28	28
		40
Разом		100

У дизельного двигуна умови відведення теплоти інші. Внаслідок вищого ступеня стиснення температура газів на виході з циліндра набагато нижча. Тому кількість теплоти, відведена під час ходу випуску, менша і становить у ряді випадків близько 25% всієї теплоти, відданої в систему охолодження.

Тиск та температура газів при згорянні в дизелі вище, ніж у бензинового двигуна. Спільно з великими швидкостями обертання газів у циліндрі ці фактори сприяють збільшенню кількості теплоти, що передається стінкам камери згоряння. У процесі згоряння ця величина становить близько 9%, а під час розширення - 6%. За час ходу випуску в систему охолодження приділяється 9% енергії, що міститься в паливі. Тепловий баланс дизеля наведено у табл. 9.

Таблиця 9. Тепловий баланс дизеля

Складові теплового балансу	Частка у балансі %
Теплота перетворена на корисну роботу		45
Теплота відведена до системи охолодження:
у фазі згоряння	8
під час розширення	6
під час випуску	9
Загальна	23	23
Теплота, що виникає при терті поршня		2
Теплота, відведена з відпрацьованими газами та випромінюванням		30
Разом		100

Теплота, що виникає при терті поршня стінки циліндра у бензинового двигуна, становить близько 1,5 %, а у дизеля - близько 2 % від її загальної кількості. Ця теплота також відводиться у систему охолодження. Слід врахувати, що наведені приклади представляють результати вимірювань, виконаних на дослідницьких двигунах одноциліндрових, і не характеризують автомобільні двигуни, а служать лише для демонстрації відмінностей в теплових балансах бензинового двигуна і дизеля.

ТЕПЛОТА, ВІДВОДНА В СИСТЕМУ ОХОЛОДЖЕННЯ

Системою охолодження відводиться близько 33% теплової енергії, що міститься у паливі, що використовується. Вже на початку розвитку двигунів внутрішнього згоряння почалися пошуки шляхів перетворення хоча б частини теплоти, що відводиться в систему охолодження, в ефективну потужність двигуна. Тоді широко і досить ефективно застосовувався паровий двигун з теплоізольованим циліндром і тому, природно, прагнули застосувати цей метод теплоізоляції і двигуна внутрішнього згоряння. Досліди у цьому напрямі проводили великі фахівці, такі, як Р. Дизель. Однак у ході дослідів виявилися значні проблеми.

У застосовуваному в двигунах внутрішнього згоряння кривошипному механізмі тиск газів на поршень і сила інерції поступально рухомих мас притискають поршень до стінки циліндра, що при високій швидкості поршня вимагає забезпечення хорошого змазування цієї пари, що труться. Температура масла при цьому не повинна перевищувати допустимі межі, що обмежує в свою чергу температуру стінки циліндра. Для сучасних моторних масел температура стінки циліндра не повинна бути вищою за 220 °С, в той час як температура газів у циліндрі при згорянні і ході розширення на порядок вище, і циліндр з цієї причини необхідно охолоджувати.

Інша проблема пов'язана із підтриманням нормальної температури випускного клапана. Міцність сталі за високої температури падає. При використанні спеціальних сталей як матеріал випускного клапана його максимально допустима температура може бути доведена до 900 °С.

Температура газів у циліндрі при згорянні досягає 2500-2800 °С. Якби теплота, що передається стінкам камери згоряння і циліндра, не відводилася, їх температура перевищила б допустимі значення для матеріалів, з яких виготовлені ці деталі. Багато залежить від швидкості газу біля стіни. У камері згоряння визначити цю швидкість практично неможливо, оскільки вона змінюється протягом усього робочого циклу. Так само складно визначити перепад температур між стінкою циліндра і повітрям. При впускі та на початку стиснення повітря холодніше, ніж стінки циліндра та камери згоряння, і тому теплота передається від стінки повітря. Починаючи з деякого положення поршня при такті стиснення, температура повітря стає вищою за температури стінок, і тепловий потік змінює напрямок, тобто теплота передається від повітря стінкам циліндра. Розрахунок теплопередачі за таких умов є завданням великої складності.

Різкі зміни температури газів в камері згоряння впливають і на температуру стінок, яка на поверхні стінок і глибині менше 1,5-2 мм коливається протягом одного циклу, а глибше встановлюється на деякому середньому значенні. При розрахунках теплопередачі саме це середнє значення температури потрібно приймати для зовнішньої поверхні стінки циліндра, з якої теплота передається рідини, що охолоджує.

Поверхня камери згоряння включає не тільки примусово охолоджувані деталі, але і днище поршня, тарілки клапанів. Тепловіддача у стінки камери згоряння гальмується шаром нагару, а в стінки циліндра – масляною плівкою. Головки клапанів повинні бути плоскими, щоб під впливом гарячих газів була мінімальна площа. При відкритті впускний клапан охолоджується потоком вхідного заряду, тоді як випускний клапан в процесі роботи сильно нагрівається газами, що відпрацювали. Стрижень цього клапана захищений від дії гарячих газів довгою напрямною, що доходить майже до його тарілки.

Як уже зазначалося, максимальна температура випускного клапана обмежена міцністю матеріалу, з якого він виготовлений. Теплота від клапана відводиться головним чином через його сідло до охолоджуваної голівки циліндра і частково через напрямну, яку необхідно охолоджувати. У випускних клапанів, які у важких температурних умовах, стрижень робиться порожнистим і частково заповнюється натрієм. Коли клапан нагрітий, натрій знаходиться в рідкому стані, і оскільки він не заповнює всю порожнину стрижня, то при русі клапана інтенсивно переміщається в ній, відводячи тим самим теплоту від тарілки клапана до його напрямної і далі в охолоджувальне середовище.

Тарілка випускного клапана має найменший перепад температур із газами в камері згоряння і тому при згорянні йому передається відносно невелика кількість теплоти. Однак при відкриванні випускного клапана теплопередача від потоку відпрацьованих газів до тарілки клапана дуже велика, що визначає його температуру.

АДІАБАТНІ ДВИГУНИ

У адіабатного двигуна циліндр та його головка не охолоджуються, тому втрати теплоти за рахунок охолодження відсутні. Стиснення та розширення в циліндрі відбуваються без теплообміну зі стінками, тобто адіабатично, аналогічно циклу Карно. Практична реалізація такого двигуна пов'язана з такими труднощами.

Для того щоб теплові потоки між газами та стінками циліндра були відсутні, необхідна рівність у кожний момент часу температури стінок температури газів. Така швидка зміна температури стін протягом циклу практично неможлива. Можна було б реалізувати близький до адіабатного циклу, якщо забезпечити температуру стінок протягом циклу в межах 700-1200 °С. Матеріал стінок при цьому повинен зберігати працездатність в умовах такої температури, та, крім того, необхідна теплоізоляція стінок для усунення відведення від них тепла.

Забезпечити таку середню температуру стінок циліндра можна лише в його верхній частині, яка не зіткнеться з головкою поршня і його кільцями і, отже, не вимагає мастила. При цьому, однак, неможливо забезпечити, щоб гарячі гази не омивали частину стінок циліндра, що змащується при русі поршня до НМТ. У той же час можна припустити створення циліндра і поршня, що не потребують мастила.

Подальші проблеми пов'язані з клапанами. Впускний клапан частково охолоджується повітрям, що надходить при впуску. Це охолодження відбувається за рахунок підвищення температури повітря і, зрештою, призводить до втрати частини ефективної потужності та ККД двигуна. Теплопередача клапана при згорянні може бути значно зменшена теплоізоляцією тарілки клапана.

У випускного клапана температурні умови роботи значно важчі. Гарячі гази, що виходять з циліндра, мають у місці переходу тарілки клапана в стрижень високу швидкість і сильно нагрівають клапан. Тому для отримання ефекту адіабатності потрібна теплоізоляція не тільки тарілки клапана, але і його стрижня, відведення теплоти від яких здійснюється охолодженням його сідла та направляючої. Крім того, весь випускний канал в голівці циліндрів повинен бути теплоізольований з тим, щоб через його стінки голівці не передавалась теплота газів, що відпрацювали, що виходять з циліндра.

Як згадувалося, під час стиснення спочатку від гарячих стінок циліндра нагрівається відносно холодне повітря. Далі в процесі стиснення температура повітря підвищується, напрямок теплового потоку змінюється на протилежне, і тепло від нагрітих газів передається стінкам циліндра. Наприкінці адіабатного стиснення досягається більше порівняно зі стисненням у звичайному двигуні значення температури газу, але на це витрачається більше енергії.

Менше енергії витрачається, коли повітря при стисканні охолоджується, оскільки для меншого стиснення внаслідок охолодження об'єму повітря необхідна менша кількість роботи. Таким чином, охолодження циліндра при стисканні покращує механічний ККД двигуна. Під час розширення, навпаки, доцільно теплоізолювати циліндр або підводити теплоту до заряду на початку цього такту. Дві зазначені умови є взаємовиключними та реалізувати їх одночасно неможливо.

Охолодження повітря при стисканні можна здійснити в двигунах внутрішнього згоряння з наддувом, подаючи повітря після його стиснення компресору в радіатор проміжного охолодження.

Підведення теплоти до повітря від стінок циліндра на початку розширення можливе в обмеженій мірі. Температури стін камери згоряння адіабатного двигуна

дуже високі, що викликає нагрівання повітря, що надходить у циліндр. Коефіцієнт наповнення, і, отже, потужність такого двигуна будуть нижчими, ніж у двигуна з примусовим охолодженням. Цей недолік усунем за допомогою турбонаддува, що використовує енергію газів, що відпрацювали; частину цієї енергії можна передавати безпосередньо на колінчастий вал двигуна через силову турбіну (турбокомпаундний двигун).

Гарячі стінки камери згоряння адіабатного двигуна забезпечують займання ними палива, що зумовлює використання у такому двигуні дизельного робочого процесу.

При досконалої теплоізоляції камери згоряння та циліндра температура стінок збільшувалася до досягнення на глибині близько 1,5 мм від поверхні середньої температури циклу, тобто. становила б 800-1200 °С. Такі температурні умови обумовлюють високі вимоги до матеріалів циліндра і деталей, що утворюють камеру згоряння, які повинні бути жароміцними та володіти теплоізоляційними властивостями.

Циліндр двигуна, як зазначалося, повинен змащуватися. Звичайні олії використовуються до температури 220 °С, при перевищенні якої виникає небезпека пригорання і втрати пружності поршневих кілець. Якщо головка циліндра виготовлена ​​з алюмінієвого сплаву, то міцність такої головки швидко зменшується вже при досягненні температури 250-300 °С. Допустима температура розігріву випускного клапана становить 900-1000 °С. Цими значеннями максимально допустимих температур необхідно керуватися під час створення адіабатного двигуна.

Найбільших успіхів у розвитку адіабатних двигунів досягнуто фірмою “Каммінс” (США). Схема адіабатного двигуна, розробленого цією фірмою, зображено на рис. 75 де показані теплоізольовані циліндр, поршень і випускний канал головки циліндра. Температура газів, що відпрацювали, в теплоізольованій випускній трубі становить 816 °С. Приєднана до випускної труби турбіна соедичвена з колінчастим валом через двоступінчастий редуктор, з гасителем крутильних коливань.

Досвідчений зразок адіабатного двигуна було створено на базі шестициліндрового дизеля типу NH. Схематичний поперечний розріз цього двигуна показано на рис. 76, а його параметри наведені нижче:

Число циліндрів............................................... 6
Діаметр циліндра, мм...................................... 139,7
Хід поршня, мм.............................................. ... 152,4
Частота обертання, хв-1 .................................. 1900
Максимальний тиск у циліндрі, МПа.
Тип мастильного матеріалу............................... Масло
Середній ефективний тиск, МПа............... 1,3
Масове відношення повітря/паливо............... 27: 1
Температура повітря, °С................ 60

Очікувані результати

Потужність, кВт............................................. 373
Частота обертання, хв-1 ............................. 1900
Емісія NOx + CHx ..................................... 6,7
Питома витрата палива, г/(кВт год) .......... 170
Термін служби, год............................................ 250

У конструкції двигуна широко використані скло-керамічні матеріали, що мають високу жароміцність. Однак до теперішнього часу забезпечити високу якість та тривалий термін служби деталей із цих матеріалів не вдалося.

Велика увага була приділена створенню складеного поршня, показаного на рис. 77. Керамічна головка поршня 1 з'єднана з його основою 2 спеціальним болтом 3 із шайбою 4 . Максимальна температура всередині головки досягає 930 °С. Від основи головка теплоізольована пакетом тонких прокладок сталевих 6 з сильно нерівною і шорсткою поверхнею. Кожен шар пакету через малу поверхню контакту має великий тепловий опір. Теплове розширення болта компенсується за допомогою тарілчастих пружин 5.

ВІДВІД ТЕПЛОТИ ПОВІТРЯ ТА ЙОГО РЕГУЛЮВАННЯ

Відведення теплоти системою охолодження викликає не лише втрати теплової енергії, яка могла б бути реалізована в роботу, але також і прямі втрати частини ефективної потужності двигуна внаслідок приводу вентилятора та водяного насоса. Відведення теплоти з охолоджуваної поверхні S повітряне середовище залежить від перепаду температур між цією поверхнею і повітрям t, а також від коефіцієнта тепловіддачі охолоджуючої поверхні у повітря . Цей коефіцієнт не змінюється скільки-небудь значно незалежно від того, чи утворена поверхня охолоджувальна пластинами радіатора системи рідинного охолодження або ребрами деталей двигуна повітряного охолодження. Насамперед розглянемо двигуни із системами рідинного охолодження.

Кількість охолоджуючого повітря тим менше, чим більше теплоти відводиться в одиницю його об'єму, тобто чим більше нагріватиметься повітря, що охолоджує. Етог вимагає рівномірного розподілу повітря по всій поверхні, що охолоджує, і максимального перепаду температур між нею і повітрям. У радіаторі системи рідинного охолодження створюються умови, при яких поверхня, що охолоджується, має майже рівномірне поле температур, а температура охолоджуючого повітря в міру руху його через радіатор поступово підвищується, досягаючи максимального значення на виході з нього. Перепад температур між повітрям і поверхнею, що охолоджується, поступово зменшується. На перший погляд здається, що кращий глибокий радіатор, оскільки повітря нагрівається більше, проте слід розглянути це питання з енергетичної позиції.

Коефіцієнт тепловіддачі поверхні а є складною залежністю від ряду факторів, проте найбільший вплив на його величину надає швидкість потоку повітря біля охолоджуючої поверхні. Зв'язок між ними можна уявити співвідношенням ~0,6-0,7.

При збільшенні швидкості повітря на 10% відведення теплоти збільшується лише на 7%. Швидкість потоку повітря пропорційна його витрати через радіатор. Якщо конструкція радіатора не змінюється, то для збільшення кількості тепла, що відводиться, на 7 % слід збільшити частоту обертання вентилятора на 10 %, оскільки подана вентилятором кількість повітря прямо залежить від неї. Тиск повітря при постійній площі перерізу вентилятора залежить від другого ступеня частоти його обертання, а потужність приводу вентилятора пропорційна її третього ступеня. Таким чином, при збільшенні частоти обертання вентилятора на 10% потужність приводу збільшується на 33%, що має негативні наслідки, що проявляються у погіршенні механічного ККД двигуна.

Залежність кількості охолоджуючого повітря від кількості теплоти, що відводиться, а також від збільшення тиску повітря і потужності приводу вентилятора показана на рис. 78. З позиції зменшення витрат енергії ця номограма є дуже корисною. Якщо лобову поверхню радіатора збільшити на 7 %, то пропорційно збільшуються площі прохідного перерізу та охолоджуючої поверхні радіатора, і, отже, кількість охолоджуючого повітря достатньо збільшити на ті ж 7 %, щоб відвести на 7 % більше теплоти, тобто як і описаному вище прикладі. При цьому потужність вентилятора підвищується лише на 22,5% замість 33%. Якщо витрата повітря через вентилятор V z збільшити на 20 % (точка та стрілки 1 на рис. 78), то кількість відведення та теплоти Q, пропорційне Vz0,3 , зросте на 11,5%. Зміна витрати повітря збільшенням частоти обертання вентилятора ті ж 20 % призводить до збільшення тиску повітряного потоку на 44 %, а потужність приводу вентилятора - на 72,8 %. Для збільшення тепловідведення на 20% тим самим шляхом слід збільшити витрату повітря на 35,5% (точка та пунктирні стрілки) 2 на рис. 78), що тягне у себе зростання тиску повітря на 84 %, а потужність приводу вентилятора - майже 2,5 разу (на 149 %). Тому вигідніше збільшити лобову поверхню радіатора, ніж при тих же радіаторі та вентиляторі збільшувати частоту обертання останнього.

Якщо радіатор розділити по його глибині на дві рівні частини, то передній перепад температур t1 буде більше, ніж у задній t2 , і, отже, передня частина радіатора буде охолоджуватися сильніше повітрям. Два радіатори, одержувані при поділі одного на дві частини, по глибині матимуть менші опори потоку повітря, що охолоджує. Тому дуже глибокий радіатор невигідний для застосування.

Радіатор повинен бути виготовлений з матеріалу з хорошою теплопровідністю та його опору потокам повітря та рідини повинні бути невеликими. Маса радіатора і об'єм рідини, що знаходиться в ньому, повинні бути також невеликі, так як це важливо для швидкого прогріву двигуна і включення системи опалення в автомобілі. Для сучасних легкових автомобілів із низькою передньою частиною кузова потрібні радіатори невеликої висоти.

Для мінімізації енергетичних витрат важливо досягти високого ККД вентилятора, для чого використовується напрямний повітропровід, що має невеликий зазор по зовнішньому діаметру крильчатки вентилятора. Крильчатка вентилятора часто виготовляється з пластмаси, що гарантує точну форму профілю лопаток, їхню гладку поверхню та малу шумність. При високих частотах обертання такі лопатки деформуються, знижуючи цим витрата повітря, що дуже доцільно.

Висока температура радіатора підвищує його ККД. Тому в даний час застосовують герметизовані радіатори, надлишковий тиск в яких підвищує температуру кипіння охолоджувальної рідини і, отже, температуру всієї матриці радіатора, який може бути меншим і більш легким.

Для двигуна повітряного охолодження діють самі закономірності, як і двигуна рідинного охолодження. Різниця полягає в тому, що ребра деталей двигуна повітряного охолодження мають більш високу температуру, ніж матриця радіатора, тому на відведення такої кількості теплоти при повітряному охолодженні потрібна менша кількість охолоджуючого повітря. Ця перевага має велике значення при експлуатації автомобілів за умов жаркого клімату. У табл. 10 наведено режими роботи двигунів рідинного та повітряного охолодження за зміни температури навколишнього повітря від 0 до 50 °С. Для двигуна рідинного охолодження ступінь охолодження зменшується на 45,5%, тоді як у двигуна повітряного охолодження в тих самих умовах - лише на 27,8%. Для двигуна рідинного охолодження це означає більш громіздку та більш енергоємну систему охолодження. Для двигуна повітряного охолодження достатньо невелика переробка вентилятора.

Таблиця 10. Ефективність охолодження двигуна системами рідинного та повітряного охолодження залежно від зовнішньої температури

Вид охолодження, °С	Рідина	Повітряна
Температура охолоджувальної поверхні	110	180
	0	0
Різниця температур	110	180
Температура повітря, що охолоджує	50	50
Різниця температур	60	130
Погіршення режиму при температурі 50 ° С порівняно з 0 ° С %	45,5	27,5

Регулювання охолодження дає велику економію енергії. Охолодження можна відрегулювати так, щоб воно було задовільним при максимальному навантаженні двигуна та при максимальній температурі повітря. Але при нижчій температурі навколишнього середовища та частковому навантаженні двигуна таке охолодження, природно, є надлишковим і для зниження зносу та механічного ККД двигуна необхідно знову відрегулювати охолодження. У двигунів рідинного охолодження це зазвичай роблять дроселювання потоку рідини через радіатор. В цьому випадку споживана потужність вентилятора не змінюється, і з енергетичного погляду таке регулювання не приносить жодної вигоди. Наприклад, для охолодження двигуна потужністю 50 кВт при температурі 30 °С витрачається 2,5 кВт, а при температурі 0 °С і навантаженні двигуна 50 % від повного знадобилося б лише 0,23 кВт. За умови, що необхідна кількість охолоджуючого повітря пропорційно перепаду температур між поверхнею радіатора і повітрям, при 50% навантаженні двигуна для його охолодження достатньо половини витрати повітря, регульованого частотою обертання вентилятора. Економія енергії і, отже, витрати палива за такого регулювання може бути досить значною.

Тому регулюванню охолодження нині приділяється особливу увагу. Найбільш зручне регулювання - зміна частоти обертання вентилятора, але його здійснення необхідно мати регульований привід.

Відключення приводу вентилятора має ту ж мету, що і зміна його частоти обертання. Для цього зручно застосовувати електромагнітну муфту, що включає термостат в залежності від температури рідини (або головки циліндра). Якщо муфта включається термостатом, то регулювання здійснюється не тільки залежно від температури навколишнього середовища, та від навантаження двигуна, що дуже ефективно.

Вимикання вентилятора за допомогою в'язкісної муфти здійснюється кількома способами. Як приклад розглянемо в'язкісну муфту фірми "Холсет" (США).

При найбільш простому способі використовується обмеження моменту, що передається. Оскільки зі зростанням частоти обертання момент, необхідний для обертання вентилятора, збільшується, то збільшується також і пробуксовування в'язкісної муфти, і при деякому значенні потужності вентилятора, що споживається, його частота обертання вже більше не підвищується (рис. 79). Частота обертання вентилятора з нерегульованим клиноремеїним приводом від колінчастого валу двигуна збільшується пропорційно до частоти обертання двигуна (крива Б), тоді як у разі приводу вентилятора через в'язкову муфту його частота зростає лише до величини hv = 2500 хв-1 (крива обертання Анерегульованим приводом, зростає пропорційно до третьої ). Потужність, яку споживає вентилятор зі ступеня частоти обертання і на режимі максимальної потужності становить 8,8 кВт. У вентилятора, що наводиться через в'язкісну муфтуобертання збільшується, як зазначено, до 2500 хв-1, і частота необхідна на режимі потужність вентилятора становить 2 кВт. Оскільки у в'язкісній муфті при 50% пробуксовке в теплоту додатково розсіюється ще 1 кВт, то загальна економія енергії на приводі вентилятора становить знижує витрату палива. Таке регулювання охолодження 5,8 кВт, проте і це можна вважати задовільним витрата повітря не зростає прямо пропорційно частоті, так як обертання двигуна і швидкості руху зберігається зростання швидкісного напору, крім того, з підвищенням повітря, що сприяє охолодженню двигуна.

Інший тип в'язкісної муфти фірми "Холсет" забезпечує регулювання теплового режиму двигуна додатково від температури навколишнього повітря (рис. 80). Від раніше розглянутої ця муфта відрізняється тим, що обсяг рідини в ній, що передає момент, що крутить, залежить від зовнішньої температури. Картер муфти розділений перегородкою 5 (див. мал. 81) на ведучу камеру диска 1 та камеру резервного об'єму 2, з'єднані між собою клапаном 3. Клапан керується біметалічним термостатом 4 Залежно від температури повітря. Черпачок 6, притиснутий до пружини диска, служить для скидання рідини з диска і прискорення перетікання її з камери диска в об'єм 2. Частина рідини постійно знаходиться в камері ведучого диска і здатна передавати вентилятору невеликий момент, що крутить. При температурі повітря 40 °С, наприклад, максимальна частота обертання вентилятора становить 1300 хв-1, а потужність, що споживається, - не більше 0,7 кВт. При нагріванні двигуна біметалічний термостат відкриває клапан і частина рідини надходить в камеру ведучого диска. У міру зростання прохідного перерізу клапана кількість рідини, що надходить в камеру диска, збільшується і при повному відкритті клапана рівень її в обох половинах однаковий. Зміна переданого при цьому моменту, що крутить, і частоти обертання вентилятора показано кривими А 2 (див. рис. 80).

У цьому випадку максимальна частота обертання вептилятора становить 3200 хв-1, а потужність, що споживається, збільшується до 3,8 кВт. Максимальне відкриття клапана відповідає температурі навколишнього повітря, що дорівнює 65 °С. Описаним регулюванням охолодження двигуна можна зменшити витрату палива в легкових автомобілях на 1 л/100 км.

Потужні двигуни мають ще досконаліші системи регулювання охолодження. У дизелів "Татра" привід вентилятора здійснюється через гідромуфту, об'єм масла в якій регулюється термостатом в залежності від температур газів, що відпрацювали, і навколишнього повітря. Показання датчика температури у випускному трубопроводі залежать в основному від навантаження двигуна і меншою мірою від його частоти обертання. Запізнення цього датчика дуже невелике, тому регулювання охолодження з його допомогою досконаліше.

Регулювання охолодження частотою обертання вентилятора щодо легко здійснюється у двигуні внутрішнього згоряння будь-якого типу; при цьому зменшується загальний шум, який видається автомобілем.

При передньому розташуванні двигуна поперек автомобіля механічний привід вентилятора викликає деякі труднощі і тому найчастіше застосовують електропривод вентилятора. І тут регулювання охолодження дуже спрощується. Вентилятор з електроприводом не повинен мати великої споживаної потужності, тому прагнуть використовувати ефект охолодження швидкісним натиском повітря при русі автомобіля, оскільки зі збільшенням навантаження двигуна швидкість легкового автомобіля і, отже, швидкісний напір повітря, що обтікає його, зростають. Електропривод вентилятора працює тільки протягом короткого часу при подоланні затяжних підйомів або при високій температурі навколишнього повітря. Витрата охолоджуючого повітря через вентилятор регулюється включенням електродвигуна за допомогою термостату,

Якщо радіатор розташований далеко від двигуна, наприклад в автобусі із заднім розташуванням двигуна, вентилятор зазвичай має гідрооб'ємний привід. Наведений двигуном автобуса гідронасос подає масло під тиском поршневий гідродвигун з шайбою, що коливається. Такий привід складніший і його застосування доцільно в двигунах великої потужності.

ІКОРИСТУВАННЯ ТЕПЛОТИ, ЩО ЗНОСИТЬ З ВІДПРАЦЮВАНИМИ ГАЗами

Відпрацьовані гази двигуна містять значну кількість теплової енергії. Її можна використати, наприклад, для опалення автомобіля. Підігрів повітря відпрацьованими газами в газоповітряному теплообміннику системи опалення небезпечний через можливість прогорання або негерметичність його трубок. Тому для перенесення теплоти використовують олію або іншу незамерзаючу рідину, що нагрівається відпрацьованими газами.

Ще доцільніше використовувати гази, що відпрацювали, для приводу вентилятора системи охолодження. При великих навантаженнях двигуна відпрацьовані гази мають найвищу температуру, а двигун потребує інтенсивного охолодження. Тому використання турбіни, що працює на газах, що відпрацювали, для приводу вентилятора системи охолодження, дуже доцільно і в даний час починає знаходити застосування. Такий привід може автоматично регулювати охолодження, хоча це досить дорого.

Більш прийнятним з погляду вартості вважатимуться ежекційне охолодження. Відпрацьовані гази відсмоктують з ежектора повітря, що охолоджує, яке змішується з ними і відводиться в атмосферу. Такий пристрій дешево і надійно, тому що не має ніяких деталей, що рухаються. Приклад ежекційної системи охолодження показано на рис. 82.

Ежекційне охолодження було з успіхом застосовано у гоночних автомобілях “Татра” та у деяких спеціалізованих автомобілях. Недоліком системи є високий рівень шуму, так як гази, що відпрацювали, необхідно безпосередньо підводити в ежектор, а розташування глушника шуму за ним викликає труднощі.

Основним способом використання енергії відпрацьованих газів служить їх розширення в турбіні, яка найчастіше використовується для приводу відцентрового компресора наддуву двигуна. Її можна використовувати також і для інших цілей, наприклад, для згаданого приводу вентилятора; в турбокомпаундних двигунах вона безпосередньо з'єднується з колінчастим валом двигуна.

У двигунах, що використовують як паливо водень, теплоту відпрацьованих газів, а також відведену в систему охолодження можна використовувати для нагрівання гідридів, витягуючи тим самим водень, що міститься в них. При такому способі ця теплота акумулюється в гідридах, і при новій заправці гідридних баків воднем може бути використана в різних цілях для нагрівання води, опалення будівель і т. д.

Енергію відпрацьованих газів частково застосовують для поліпшення наддуву двигуна, використовуючи коливання їх тиску, що виникають у випускному трубопроводі. Використання коливань тиску полягає в тому, що після відкривання клапана в трубопроводі виникає ударна хвиля тиску, зі швидкістю звуку, що проходить до відкритого кінця трубопроводу, що відбивається від нього і повертається до клапана у вигляді хвилі розрідження. За час відкритого стану клапана хвиля може кілька разів пройти трубопроводом. При цьому важливо, щоб до фази закривання випускного клапана до нього прийшла хвиля розрідження, що сприяє очищенню циліндра від газів, що відпрацювали, і продування його свіжим повітрям. Кожне розгалуження трубопроводу створює перешкоди шляху хвиль тиску, тому найвигідніші умови використання коливань тиску створюються у разі індивідуальних трубопроводів від кожного циліндра, мають рівні довжини ділянці від головки циліндра до об'єднання загальний трубопровід.

Швидкість звуку не залежить від частоти обертання двигуна, тому у всьому її діапазоні чергуються сприятливі та несприятливі з точки зору наповнення та очищення циліндрів умови режиму роботи. На кривих потужності двигуна Ne та його середнього ефективного тиску pe це проявляється у вигляді "горбів", що добре видно на рис. 83 де зображена зовнішня швидкісна характеристика двигуна гоночного автомобіля фірми “Порше”. Коливання тиску використовують також і у впускному трубопроводі: прихід хвилі тиску до впускного клапана, особливо у фазі його закривання, сприяє продуванню та очищенню камери згоряння.

Якщо із загальним випускним трубопроводом з'єднується кілька циліндрів двигуна, то число їх має бути не більше трьох, а чергування роботи - рівномірним з тим, щоб випуск газів, що відпрацювали, з одного циліндра не перекривав і не впливав на процес випуску з іншого. У рядного чотирициліндрового двигуна два крайні циліндри зазвичай об'єднуються в одну загальну гілку, а два середніх циліндри - в іншу. У рядного шестициліндрового двигуна ці гілки утворені відповідно трьома передніми та трьома задніми циліндрами. Кожна з гілок має самостійний вхід у глушник, або на деякій відстані від нього гілки об'єднуються і організується їхнє загальне введення в глушник.

ТУРБОНАДДУВ ДВИГУНА

При турбонаддуві енергія газів, що відпрацювали, використовується в турбіні, що приводить відцентровий компресор для подачі повітря в двигун. Велика маса повітря, що надходить у двигун під тиском з компресора, сприяє підвищенню питомої потужності двигуна та зниженню його питомої витрати палива. Двоступінчасті стиснення повітря та розширення відпрацьованих газів, що здійснюються у двигуні з турбонаддувом, дозволяють отримати високий індикаторний ККД двигуна.

Якщо наддуву застосовують компресор з механічним приводом від двигуна, то внаслідок подачі більшої кількості повітря зростає лише потужність двигуна. При збереженні такту розширення тільки в циліндрах двигуна гази, що відпрацювали, виходять з нього під високим тиском, і якщо вони надалі не використовуються, то це викликає підвищення питомої витрати палива.

Ступінь наддуву залежить від призначення двигуна. При вищому тиску наддува повітря в компресорі сильно нагрівається і на вході в двигун його необхідно охолоджувати. В даний час турбонаддув застосовують в основному в дизелях, підвищення потужності яких на 25-30% не вимагає великого форсування тиску наддуву, і охолодження двигуна при цьому не викликає труднощів. Такий спосіб підвищення потужності дизеля застосовують найчастіше.

Збільшення кількості повітря, що надходить у двигун, дозволяє працювати на бідних сумішах, що знижує вихід СО і СНx. Так як потужність дизелів регулюється подачею палива, а повітря, що подається, не дроселюється, то при часткових навантаженнях використовуються дуже бідні суміші, що сприяє зменшенню питомої витрати палива. Запалення бідної суміші в дизелях з наддувом не викликає труднощів, оскільки відбувається при високих температурах повітря. Продування камери згоряння повітрям, що подається, в дизелях допустиме, оскільки на відміну від бензинового двигуна винесення палива у випускний трубопровід у них немає.

У дизеля з наддувом ступінь стиснення зазвичай дещо зменшують для того, щоб обмежити максимальний тиск в циліндрі. Вищий тиск і температура повітря в кінці такту стиснення зменшують затримку займання, і жорсткість роботи двигуна стає менше.

У дизелів з турбонаддувом певні проблеми існують за необхідності швидко збільшити потужність двигуна. При натисканні на педаль управління зростання подачі повітря внаслідок інерції турбокомпресора відстає від збільшення подачі палива, тому спочатку двигун працює на збагаченій суміші з підвищеною димністю і через деякий проміжок часу склад суміші досягає необхідного значення. Тривалість цього періоду залежить від моменту інерції ротора турбокомпресора. Спроба звести інерцію ротора до мінімуму зменшенням діаметра робочих коліс турбіни і компресора спричиняє необхідність збільшення частоти обертання турбокомпресора до 100 000 хв. Такі турбокомпресори мають невеликі розміри та масу, приклад одного з них наведено на рис. 84. Щоб отримати високі обороти турбокомпресора, застосовують турбіни доцентрового типу. Теплопередача від корпусу турбіни до корпусу компресора має бути мінімальною, тому обидва корпуси добре теплоізолюються один від одного. Залежно від числа циліндрів і схеми об'єднання їх випускних трубопроводів турбіни мають один або два входи для газів, що відпрацювали. Дизель з наддувом завдяки утилізації енергії газів, що відпрацювали, дає можливість досягти дуже низької питомої витрати палива. Нагадаємо, що теплові баланси двигунів внутрішнього згоряння наведені у табл. 1 та 2.

Для легкових автомобілів недоліком дизельного двигуна є його велика маса. Тому нові дизелі для легкових автомобілів, що створюються, базуються, в основному, на високооборотних бензинових двигунах так як використання високих частот обертання дозволяє зменшити масу дизеля до прийнятної величини.

Витрата палива у дизеля особливо при русі в місті на режимах часткових навантажень помітно менше. Подальший розвиток цих дизелів пов'язане з турбонаддувом, в умовах якого вміст шкідливих вуглецевих компонентів у відпрацьованих газах знижується, а його робота стає м'якшою. Збільшення NOx внаслідок вищих температур згоряння може бути зменшено рециркуляцією відпрацьованих газів. Вартість дизельного двигуна вище, ніж бензинового, проте при нестачі нафти його застосування вигідніше, тому що з нафти може бути! словлено більше дизельного палива, ніж високооктанового бензину

Турбонаддув бензинових двигунів має деякі особливості Температура відпрацьованих raws бензинових двигунів вище, це висуває більш високі вимоги до матеріалу лопзток турбіни, проте не є фактором, що обмежує застосування наддуву Запалення дуже бідних сумішей бензину з повітрям відбувається з труюм, поз! ому необхідно регулювати колп-чешше подається повітря, що особливо важливо при високих частотах зрощення, коли компресор подає велику кількість повітря. На відміну від дизеля, де регулювання потужності проводиться зменшенням подачі палива, в бензиновому двигуні аналогічний метод не застосовується, оскільки склад суміші був би на цих режимах настільки бідним, що займання не було б гарантовано. Тому подача повітря на режимах максимальної частоти обертання турбокомпресора має бути обмежена. Існує кілька способів такого обмеження. Найбільш часто використовують перепуск відпрацьованих газів через спеціальний канал повз турбіну, тим самим знижуючи частоту обертання турбокомпресора і кількість повітря, що подається їм. Схема такого регулювання дано на рис. 85.

Відпрацьовані гази з двигуна надходять у випускний трубопровід 10, а потім через турбіну 11 в глушник шуму випуску 12. При максимальному навантаженні та високій частоті обертання двигуна тиск у впускному каналі 7, що передається через канал 15, відкриває клапан перепуску 13, через який відпрацьовані гази трубопроводом 14 надходять безпосередньо в глушник, минаючи турбіну. У турбіну надходить менша кількість газів, що відпрацювали, і подача повітря компресором 4 у впускний канал 6 зменшується у 6-8 разів. (Конструкція клапана перепуску відпрацьованих газів показана на рис. 86.)

Розглянутий спосіб регулювання подачі повітря має той недолік, що зниження потужності двигуна при відпусканні педалі керування двигуном не відбувається миттєво і триває, крім того, довше ніж падає частота обертання турбіни. При повторному натисканні на педаль необхідної потужності досягається із затримкою, частота обертання турбокомпресора повільно наростає навіть після закриття перепускного каналу. Така затримка небажана при жвавому русі, при необхідності швидкого гальмування та наступного швидкого розгону автомобіля. Тому застосовують інший спосіб регулювання, а саме використовують додатково перепуск повітря через байпасний канал компресора 4.

Повітря надходить у двигун через повітряний фільтр 1, регулятор складу суміші 2 фірми "Бош" (ФРН) типу "К-Джетронік", керуючий паливними форсунками 9 (див. гл. 13), потім у впускний трубопровід 5, і далі компресором 4 нагнітається у впускні канали та патрубки 6 -5. При швидкому відпусканні педалі управління компресор ще обертається і для зниження тиску в каналі 6 перепускний клапан 5 вакуумом у впускному патрубку 8 відкривається, і повітря під тиском із каналу 6 через той же клапан 5 знову перепускається в трубопровід 3 перед компресором. Вирівнювання тиску відбувається дуже швидко, частота обертання турбокомпресора у своїй різко не падає. При наступному натисканні на педаль перепускний клапан 5 швидко закривається, і компресор із незначною затримкою подає у двигун повітря під тиском. Цей спосіб дозволяє досягти повної потужності двигуна за частки секунди після натискання на педаль керування.

Хорошим прикладом бензинового двигуна з наддувом служить двигун "Порше 911" (ФРН). Спочатку він був безнаддувним шестициліндровим двигуном повітряного охолодження з робочим об'ємом 2000 см3, що мав потужність 96 кВт. У варіанті виконання з наддувом його робочий об'єм був збільшений до 3000 см3, а потужність доведена до 220 кВт відповідно до вимог до рівня шуму та наявності шкідливих речовин у газах, що відпрацювали. Розміри двигуна у своїй не збільшилися. При розробці двигуна "911" був використаний великий досвід, накопичений при створенні дванадцятициліндрового гоночного двигуна моделі "917", який вже в 1978 р. розвинув потужність 810 кВт при частоті обертання 7800 хв-1 і тиску наддуву 140 кПа. На двигуні було встановлено два турбокомпресори, його максимальний момент, що крутить, становив 1100 Н·м, а маса - 285 кг. На режимі номінальної потужності двигуна подача повітря трубокомпресорами за частоти обертання 90 000 хв-1 становила 0,55 кг/с при температурі повітря 150-160 °С. При максимальній потужності двигуна температура газів, що відпрацювали, досягала 1000-1100°С. Розгін гоночного автомобіля з місця до 100 км/год із цим двигуном тривав 2,3 с. При створенні цього гоночного двигуна була розроблена досконала система регулювання турбонаддува, що дозволило досягти хороших динамічних якостей автомобіля. Така сама схема регулювання була застосована і в двигуні "Порше 911".

При повному відкритті дросельної заслінки максимальний тиск наддуву у двигуні “Порше 911” клапана перепуску 13 (Див. рис. 85) обмежується 80 кПа. Цей тиск досягається вже при частоті обертання 3000 хв-1, у діапазоні частоти обертання двигуна 3000-5500 хв-1 тиск наддуву постійно і температура повітря за компресором становить 125 °С. При максимальній потужності двигуна величина продування досягає 22% від витрати газів, що відпрацювали. Запобіжний клапан, встановлений у впускному каналі, відрегульований на тиск 110-140 кПа, і при аварії клапана перепуску газів, що відпрацювали, він відключає подачу палива, обмежуючи тим самим неконтрольоване збільшення потужності двигуна. При максимальній потужності двигуна подача повітря компресором становить 0,24 кг/с. Ступінь стиснення, що дорівнює безнаддувному двигуні е = 8,5, при введенні наддуву була знижена до 6,5. Крім того, було застосовано випускні клапани з натрієвим охолодженням, змінено фази газорозподілу та покращено систему охолодження. При максимальній потужності двигуна частота обертання турбокомпресора становить 90 000 хв-1, при цьому потужність турбіни досягає 26 кВт. Автомобілі, призначені на експорт у США, повинні відповідати вимогам, що пред'являються до вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах, і тому автомобілі "Порше 911", що поставляються в США, додатково оснащені двома тепловими реакторами, системою подачі вторинного повітря н відпрацьовані гази для їх допалювання, а також системою рециркуляції газів, що відпрацювали. Потужність двигуна “Порше 911” зменшується до 195 кВт.

У деяких інших системах регулювання турбонаддуву, наприклад, системі АРСшведської фірми СААБ, для регулювання тиску наддуву застосовано електроніку. Обмеження тиску наддуву здійснюється клапаном, що регулює потік газів, що відпрацювали через перепускний канал повз турбіну. Клапан відкривається при виникненні розрідження у впускному трубопроводі, величина якого регулюється дроселювання потоку повітря між впускним трубопроводом і входом в компресор.

Регулююча розрідження в перепускному клапані дросельна заслінка має електропривод, керований електронним пристроєм сигналів датчиків тиску наддуву, детонації та частоти обертання. Датчик детонації є чутливим п'єзоелектричним елементом, встановленим у блоці циліндрів і виявляючим виникнення детонаційних стуків. За сигналом цього датчика обмежується розрідження в камері керування перепускного клапана.

Така система регулювання турбонаддува дозволяє забезпечити хороші динамічні якості автомобіля, необхідні, наприклад, для швидкого обгону в умовах інтенсивного руху. Для цього можна швидко перевести двигун у режим роботи з максимальним тиском наддуву, так як детонація відносно холодному, що працював на частковому навантаженні, двигуні не виникає миттєво. Через кілька секунд, коли температури зростуть і почне з'являтися детонація, за сигналом датчика детонації керуючий пристрій знизить тиск наддуву.

Перевага такого регулювання полягає в тому, що воно дозволяє використовувати в двигуні без змін палива з різними октановими числами. При застосуванні палива з октановим числом 91 двигун СААБ з такою системою регулювання може тривалий час працювати з тиском наддуву до 70 кПа. При цьому ступінь стиснення цього двигуна, в якому застосована апаратура упорскування бензину "Бош К-Джетронік", становить е = 8,5. Успіхи, досягнуті у зменшенні витрати палива легкових автомобілів завдяки застосуванню турбонаддуву, сприяли його використанню і в мотоциклі-будівлі. Тут слід назвати японську фірму "Хонда", яка вперше застосувала турбонаддув у двоциліндровому двигуні рідинного охолодження моделі. “СХ 500” для підвищення його потужності та зниження витрати палива. Застосування турбокомпресорів у двигунах з малим робочим об'ємом має ряд труднощів, пов'язаних з необхідністю отримання таких тисків наддуву, як у двигунах великої потужності, але при малих витратах повітря. Тиск наддуву залежить переважно від окружної швидкості колеса компресора, а діаметр цього колеса визначається необхідною подачею повітря. Необхідно, отже, щоб турбокомпресор мав дуже високу частоту обертання при малих діаметрах робочих коліс. Діаметр колеса компресора у згаданому двигуні Хонда об'ємом 500 см3 становить 48,3 мм і при тиску наддуву 0,13 МПа ротор турбокомпресора обертається з частотою 180 000 хв-1. Максимально допустима частота обертання цього турбокомпресора досягає 240 000 хв-1.

При збільшенні тиску наддуру вище 0,13 МПа відкривається клапан (рис 87) перепуску відпрацьованих газів, керований тиском наддуву в камері, і частина газів, що відпрацювали, минаючи турбіну, направляється у випускний трубопровід, що обмежує подальше збільшення частоти обертання компресора. Відкриття клапана перепуску відбувається при частоті обертання двигуна близько 6500 хв-1 і за її збільшення тиск наддуву не зростає.

Кількість палива, що впорскується форсункою, необхідного для отримання необхідного складу суміші, визначається обчислювальним пристроєм, розміщеним над заднім колесом мотоцикла, яке також обробляє інформацію датчиків температур повітря і охолоджуючої рідини, датчика положення дросельної заслінки, датчиків тиску повітря, датчика частоти обертання двигуна.

Головна перевага двигуна з наддувом проявляється у зниженні витрати палива при одночасному збільшенні потужності двигуна. Мотоцикл “Хонда СГ 500” з безнаддувним двигуном споживає 4,8 л/100 км, а той же мотоцикл, оснащений двигуном із наддувом моделі “СХ 500 7Х – лише 4,28 л/100 км. Маса мотоцикла “Хонда СГ 500 Г” становить 248 кг, що більш ніж на 50 кг вище за масу мотоциклів аналогічного класу з робочим об'ємом двигуна 500-550 см3 (наприклад, мотоцикл “Кавасаки”) KZ 550” має масу 190 кг). При цьому, однак, динамічні якості і максимальна швидкість мотоцикла "Хонда СХ 500 7" такі ж, як у мотоциклів з удвічі великим робочим об'ємом. Гальмівна система удосконалена у зв'язку зі зростанням швидкісних якостей цього мотоцикла. Двигун "Хонда СХ 500 Г" розрахований на ще більш високі швидкості та його максимальна частота обертання становить 9000 хв-1.

Зниження середньої витрати палива досягається також тим, що при русі мотоцикла з середньою експлуатаційною швидкістю тиск у впускному трубопроводі дорівнює атмосферному або навіть трохи нижче за нього, тобто використання наддуву дуже незначно. Лише при повному відкритті дросельної заслінки і, отже, зростанні кількості і температури газів, що відпрацювали, збільшується частота обертання турбокомпресора, тиск наддуву і завдяки цьому підвищується потужність двигуна. Деяке запізнення підвищення потужності двигуна при різкому відкриванні дросельної заслінки має місце і пов'язане з часом, необхідним для розгону турбокомпресора.

Загальна схема силової установки мотоцикла Хонда СХ 500 Т”з турбонаддувом показано на рис. 87. Великі коливання тиску повітря у впускному трубопроводі двоциліндрового двигуна з нерівномірним порядком роботи циліндрів гасяться камерою та демпфуючим ресивером. При пуску двигуна клапани запобігають зворотному потіку повітря, що викликається великим перекриттям фаз газорозподілу. Система рідинного охолодження виключає подачу гарячого повітря до ніг водія, що має місце при повітряному охолодженні. Обдування радіатора системи охолодження здійснюється вентилятором з електроприводом. Короткий випускний трубопровід до турбіни знижує втрати енергії газів, що відпрацювали, і сприяє зменшенню витрати палива. Максимальна швидкість мотоцикла – 177 км/год.

НАДДУВ ТИПУ "КОМПРЕКС"

Дуже цікавий спосіб наддуву "Компрекс", розроблений фірмою "Браун енд Бовері", Швейцарія, полягає у використанні тиску відпрацьованих газів, що діють безпосередньо на потік повітря, що подається в двигун. Показники двигуна такі ж, як і у разі використання турбокомпрес-сора, але турбіна і відцентровий компресор, для виготовлення і балансування яких потрібні спеціальні матеріали і високоточне обладнання, відсутні.

Схема системи наддуву типу "Компрекс" представлена ​​на рис. 88. Головна деталь - це лопатевий ротор, що обертається в корпусі з частотою обертання, втричі більшої частоти обертання колінчастого валу двигуна Ротор встановлений в корпусі на підшипниках кочення і рухається клиновим або зубчастим ременем. Привід компресора типу "Компрекс" споживає не більше 2% потужності двигуна. Агрегат “Компрекс” перестав бути компресором у сенсі слова, оскільки його ротор має лише канали, паралельні осі обертання. У цих каналах повітря, що надходить у двигун, стискається тиском відпрацьованих газів. Торцеві зазори ротора гарантують розподіл газів, що відпрацювали, і повітря по каналах ротора. На зовнішньому контурі ротора розташовані радіальні пластини, що мають невеликі проміжки з внутрішньою поверхнею корпусу, завдяки чому утворюються канали, закриті з обох боків торцевими кришками.

У правій кришці є вікна для подачі відпрацьованих газів від двигуна в корпус агрегату і г -для відведення газів, що відпрацювали, з корпусу у випускний трубопровід і далі - в атмосферу У лівій кришці є вікна бдля подачі стисненого повітря у двигун та вікна ддля підведення свіжого повітря в корпус із впускного трубопроводу е.Переміщення каналів при обертанні ротора викликає їх почергове з'єднання з випускним та впускним трубопроводами двигуна.

При відкритті вікна авиникає ударна хвиля тиску, яка зі швидкістю звуку рухається до іншого кінця випускного трубопроводу і одночасно направляє в канал ротора гази, що відпрацювали, не змішуючи їх з повітрям. Коли ця хвиля тиску досягне іншого кінця випускного трубопроводу, відкриється вікно б і стиснене відпрацьованими газами повітря в каналі ротора буде виштовхнуто з нього в трубопровід вдо двигуна. Однак ще до того, як відпрацьовані гази в цьому каналі ротора наблизяться до його лівого кінця, закриється спочатку вікно а, а потім вікно б, і цей канал ротора з перебувають у ньому під тиском відпрацьованими газами з обох сторін буде закритий торцевими стінками корпусу.

При подальшому обертанні ротора цей канал з газами, що відпрацювали, підійде до вікна гу випускний трубопровід і відпрацьовані гази вийдуть у нього з каналу. При русі каналу повз вікна ггази, що виходять відпрацьовані, ежектують через вікна дсвіже повітря, яке, заповнюючи весь канал, обдуває та охолоджує ротор. Пройшовши вікна гі д,канал ротора, заповнений свіжим повітрям, знову закривається по обидва боки торцевими стінками корпусу і, таким чином, готовий до наступного циклу. Описаний цикл дуже спрощений у порівнянні з тим, що відбувається насправді і здійснюється лише у вузькому діапазоні частоти обертання двигуна. Тут є причина того, що відомий вже протягом 40 років цей спосіб наддуву не застосовується в автомобілях. За останні 10 років роботами фірми "Браун енд Бовері" наддув "Компрекс" значно вдосконалено, зокрема, введено додаткову камеру в торцевій кришці, що забезпечує надійну подачу повітря в широкому діапазоні частоти обертання двигуна, у тому числі і за малих її значень.

Наддув "Компрекс" був випробуваний на повнопривідних автомобілях підвищеної прохідності австрійської фірми "Штейер-Даймлер-Пух", на яких було встановлено дизелі "Опель Рекорд 2,3D" та "Мерседес-Бенц 200D".

Перевага методу "Компрекс" у порівнянні з турбонаддувом полягає у відсутності запізнення підвищення тиску наддуву після натискання на педаль управління. Ефективність системи турбонаддува визначається енергією газів, що відпрацювали, залежать від їх температури. Якщо, наприклад, при повній потужності двигуна температура газів, що відпрацювали, становить 400 °С, то взимку для її досягнення потрібно кілька хвилин. Значна перевага способу "Компрекс" полягає також в отриманні великого моменту, що крутить, двигуна при малих частотах обертання, що дозволяє застосовувати коробку передач з меншим числом ступенів.

Швидкий набір потужності двигуна при натисканні на педаль керування особливо бажаний для гоночних автомобілів. застосування описаної раніше складної системи регулювання.

При випробуваннях системи наддуву "Компрекс" на шестициліндрових двигунах гоночних автомобілів "Феррарі" класу F1відзначалася дуже швидка реакція двигуна на переміщення педалі управління

Для отримання максимального тиску наддуву цих двигунах застосовано охолодження наддувочного повітря. Через ротор агрегату "Компрекс" проходить більше повітря, ніж потрібно двигуну, оскільки частина повітря використовується для охолодження агрегату наддуву. Це дуже вигідно для гоночних двигунів, які і на старті працюють практично з повною витратою повітря через радіатор проміжного охолодження. У цих умовах двигун з агрегатом "Компрекс" буде на момент старту перебувати в кращому температурному стані для виходу на повну потужність.

Застосування агрегату наддуву "Компрекс" замість турбокомпресора знижує шум двигуна, оскільки він працює при нижчій частоті обертання. На початковому етапі розробок швидкість ротора була причиною появи шумів такої частоти, як і в турбокомпресора. Цей недолік усунули нерівномірним кроком каналів по колу ротора.

При застосуванні системи “Компрекс” значно спрощується рециркуляція відпрацьованих газів, що застосовується з метою зниження вмісту в них NOx.Зазвичай рециркуляція здійснюється шляхом відбору частини газів, що відпрацювали з випускної труби, їх дозування, охолодження і подачі у впускний трубопровід двигуна. У системі “Компрекс” ця схема може бути істотно простіше, оскільки змішання газів, що відпрацювали, з потоком свіжого повітря та їх охолодження відбувається безпосередньо в каналах ротора.

ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ МЕХАНІЧНОГО ККД ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ

Механічний ККД відображає співвідношення між індикаторною та ефективною потужністю двигуна. Відмінність цих величин викликана втратами, пов'язаними з передачею газових сил від днища поршня до маховика і приводом допоміжного обладнання двигуна. Всі ці втрати необхідно точно знати, коли ставиться завдання покращити економіку палива двигуна.

Найбільш значна частина втрат викликана тертям в циліндрі, менша - тертям у підшипниках, що добре змащуються, і приводом необхідного для роботи двигуна обладнання. Втрати, пов'язані з надходженням повітря у двигун (насосні втрати), дуже важливі, оскільки вони зростають пропорційно до квадрата частоти обертання двигуна.

Втрати потужності, необхідні для приводу обладнання, що забезпечує роботу двигуна, включають потужність приводу механізму газорозподілу, масляного, водяного і паливного насосів, вентилятора системи охолодження. При охолодженні повітря вентилятор подачі повітря є невід'ємним елементом двигуна при його випробуваннях на стенді, в той час як у двигунів рідинного охолодження при проведенні випробувань вентилятор і радіатор часто відсутні, а для охолодження використовують воду із зовнішнього контуру охолодження. Якщо споживану потужність вентилятора двигуна рідинного охолодження не враховувати, це дає помітне завищення його економічних і потужних показників проти двигуном повітряного охолодження.

Інші втрати на привод обладнання пов'язані з генератором, пневмокомпресором, гідронасосами, необхідними для освітлення, забезпечення роботи приладів, гальмівної системи, кермового керування автомобіля. При випробуванні двигуна на гальмівному стенді слід точно визначити, що вважати додатковим обладнанням і як навантажувати його, оскільки це необхідно для об'єктивного зіставлення характеристик різних двигунів. Зокрема, це стосується системи охолодження масла, яке при русі автомобіля охолоджується обдувом масляного піддону повітрям, яке відсутнє при випробуваннях на гальмівному стенді. При випробуванні на стенді двигуна без вентилятора не відтворюються умови обдування трубопроводів повітрям, що викликає підвищення температур у трубі впускної і веде до зменшення величини коефіцієнта наповнення і потужності двигуна.

Розміщення повітряного фільтра та величина опору випускного трубопроводу повинні відповідати наявним в умовах роботи двигуна в автомобілі. Ці важливі особливості необхідно враховувати при зіставленні характеристик різних двигунів або одного двигуна, призначеного для застосування в різних умовах, наприклад, легковий або вантажний автомобіль, трактор або для приводу стаціонарного генератора, компресора і т.д.

При зменшенні навантаження двигуна його механічний ККД погіршується, оскільки абсолютна величина більшості втрат залежить від навантаження. Наочним прикладом служить робота двигуна без навантаження, тобто на неодруженому ходу, коли механічний ККД дорівнює нулю і вся індикаторна потужність двигуна витрачається на подолання його втрат. При навантаженні двигуна на 50 % або менше питома витрата палива в порівнянні з повним навантаженням значно зростає, і тому використовувати для приводу двигун, що має більшу, ніж це потрібно потужність, абсолютно неекономічно.

Механічний ККД двигуна залежить від типу масла, що використовується. Застосування взимку масел підвищеної в'язкості призводить до зростання витрати палива. Потужність двигуна при великих висотах над рівнем моря падає внаслідок зменшення тиску атмосфери, проте втрати практично не змінюються, внаслідок чого питома витрата палива зростає аналогічно тому, як це має місце при частковому навантаженні двигуна.

ВТРАТИ НА ТРАННЯ В ЦИЛІНДРОПОРШНЕВОЇ ГРУПІ І ПІДШИПНИКАХ

Найбільші втрати у двигуні спричинені тертям поршня в циліндрі. Умови мастила стінок циліндра є дуже незадовільними. Шар масла на стінці циліндра при положенні поршня в НМТ знаходиться під дією гарячих газів, що відпрацювали. Для зменшення витрати масла маслознімне кільце знімає частину його зі стінки циліндра при русі поршня до НМТ, проте шар мастила між спідницею поршня і циліндром зберігається.

Найбільше тертя викликає перше компресійне кільце. При русі поршня до ВМТ це кільце спирається на нижню поверхню поршневої канавки поршня і тиск, що виникає при стисканні, а потім згорянні робочої суміші притискає його до стінки циліндра. Оскільки режим змащування поршневого кільця найменш сприятливий внаслідок наявності сухого тертя та високої температури, то втрати на тертя тут є найвищими. Режим змащування другого компресійного кільця є сприятливішим, але тертя залишається значним. Тому число поршневих кілець також впливає величину втрат тертя цилиндропоршневой групи.

Інший несприятливий фактор - притискання поршня поблизу ВМТ до стінки циліндра тиском газів і силами інерції поворотно-поступально рухомих мас. У високооборотних автомобільних двигунів інерційні сили мають більшу величину, ніж газові. Тому найбільше навантаження шатунні підшипники мають у ВМТ такту випуску, коли шатун розтягнутий інерційними силами, прикладеними до його верхньої та нижньої голівок.

Сила, що діє вздовж шатуна, розкладається на сили, спрямовані по осі циліндра та нормально до його стінки.

Підшипники кочення в двигуні вигідно використовувати при великих зусиллях, що діють на них. В якості підшипників поршневого пальця в шатуні раніше також застосовували роликові підшипники, особливо в двотактних двигунах великої потужності. Поршень і підшипник поршневого пальця в одному випадку у підшипнику ковзання не може утворюватися необхідна масляна плівка.Для хорошого змащування підшипника ковзання у верхній головці шатуна на всій довжині його втулки в цьому випадку виконуються поперечні мастильні канавки, розташовані на такій відстані один від одного, щоб при коливанні в цьому місці могла утворюватися. .

Для отримання малих втрат на тертя в циліндропоршневій групі необхідно мати поршні, що володіють великою масою, мала кількість поршневих кілець і захисний шар на спідниці поршня, що оберігає поршень від задира і заклинювання.

ВТРАТИ ПРИ ГАЗООБМІНІ

Для наповнення циліндра повітрям необхідно виникнення перепаду тисків між циліндром і зовнішнім середовищем. Розрідження в циліндрі при впуску, що діє в напрямку, протилежному руху поршня, і обертання колінчастого валу, що гальмує, залежить від фаз газорозподілу, діаметра впускного трубопроводу, а також від форми впускного каналу, необхідної, наприклад, для створення обертання повітря в циліндрі. Двигун у цій частині циклу діє як повітряний насос і на його привод витрачається частина індикаторної потужності двигуна.

Для хорошого наповнення циліндра необхідно, щоб втрати тиску, пропорційні квадрату частоти обертання двигуна при наповненні були найменшими. Аналогічний характер залежності від частоти обертання мають і втрати на тертя в циліндропоршневій групі, і оскільки цей вид втрат переважає серед інших, загальні втрати також залежать від другого ступеня частоти обертання двигуна. Тому механічний ККД із зростанням частоти обертання падає, а питома витрата палива погіршується.

При максимальній потужності двигуна механічний ККД зазвичай дорівнює 0,75 і при подальшому підвищенні частоти обертання відбувається швидке падіння ефективної потужності. При максимальній частоті обертання та часткових навантаженнях двигуна ефективний ККД мінімальний.

До втрат при газообміні відносяться витрати енергії, пов'язані з продуванням картера колінчастого валу. Найбільші втрати мають одноциліндрові чотиритактні двигуни, у яких повітря при кожному ході поршня всмоктується в картер і виштовхується з нього. Великий обсяг повітря, що прокачується через картер, мають також двоциліндрові двигуни з V-подібним і опозитним розташуваннями циліндрів. Цей вид втрат може бути зменшений установкою зворотного клапана, що створює в картері розрідження. Розрідження в картері зменшує втрати масла, що відбуваються через негерметичність. У багатоциліндрових двигунах, у яких один поршень рухається вниз, а інший вгору, об'єм газу в картері не змінюється, але сусідні секції циліндрів повинні добре спілкуватися один з одним.

ВТРАТИ НА ПРИВІД ДОДАТКОВОГО УСТАТКУВАННЯ ДВИГУНА

Значення втрат на привід обладнання часто недооцінюють, хоча вони дуже впливають на механічний ККД двигуна. Добре досліджено втрати на привід механізму газорозподілу. Робота, що витрачається при відкритті клапана, частково відшкодовується, коли пружина клапана закриває його і тим самим рухає розподільний вал. Втрати на привід газорозподілу відносно невеликі і зі зменшенням їх вдається отримати лише невелику економію витрат потужності на приводи. Іноді розподільний вал розміщують на підшипниках кочення, проте це застосовується лише на двигунах гоночних автомобілів.

Більшу увагу слід приділити масляному насосу. Якщо розміри насоса і витрата олії через нього завищені, то більшість олії скидається через редукційний клапан при великому тиску, виникають значні втрати на привід масляного насоса. У той же час необхідно мати резерви в системі мастила для того, щоб забезпечити достатній тиск для змащування підшипників ковзання, у тому числі для зношених. У цьому випадку мала подача олії насосом призводить до зменшення тиску при низьких частотах обертання двигуна та при його тривалій роботі з повним навантаженням. Редукційний клапан у цих умовах повинен бути закритий і вся подача олії повинна використовуватися для мастила. На привід паливного насоса та розподільника запалювання витрачається невелика потужність. Також мало енергії витрачає генератор змінного струму. Значна частина ефективної потужності, а саме 5-10 %, витрачається на привід вентилятора та насоса системи охолодження, необхідних відведення теплоти з двигуна. Про це вже йшлося. Існує, як бачимо, кілька шляхів поліпшення механічного ККД двигуна.

На приводі паливного насоса та відкриванні форсунок можна заощадити невелику кількість енергії. Дещо більшою мірою це можливо в дизелях.

ВТРАТИ НА ПРИВІД ДОДАТКОВОГО УСТАТКУВАННЯ АВТОМОБІЛЯ

Автомобіль зазвичай оснащений також обладнанням, яке витрачає частину ефективної потужності двигуна, і тим самим знижує решту її частини, що йде на привід автомобіля. У легковому автомобілі таке обладнання застосовується в обмеженій кількості, в основному це різні підсилювачі, які використовуються для полегшення керування автомобілем, наприклад рульового керування, приводу зчеплення, гальмівного приводу. Для кліматичного встановлення автомобіля також потрібна певна енергія, особливо для кондиціонера охолодження повітря. Енергія потрібна також і для різних гідравлічних приводів, наприклад, переміщення сидінь, відкриття вікон, даху і т.д.

У вантажному автомобілі обсяг додаткового обладнання набагато більший. Зазвичай застосовують гальмівну систему, що використовує окреме джерело енергії, самоскидні кузови, самонавантажувальні пристрої, пристрій для підняття запасних коліс і т. д. У автомобілів спеціального призначення такі механізми застосовуються ще ширше. У загальних витратах палива необхідно враховувати і ці випадки споживання енергії.

Найбільш важливий з цих пристроїв - компресор для створення постійного тиску повітря в пневматичній гальмівній системі. Компресор працює постійно, наповнюючи повітряний ресигер, частина повітря з якого через редукційний клапан без подальшого використання виходить в атмосферу. Для гідросистем високого тиску, які обслуговують додаткове обладнання, характерні, головним чином, втрати в редукційних клапанах. У них зазвичай використовують клапан, який після досягнення робочого тиску гідроакумуляторі відключає подальшу подачу в нього робочої рідини і керує байпасною лінією між насосом і баком.

ПОРІВНЯННЯ МЕХАНІЧНИХ Втрат В БЕНЗИНОВОМУ І ДИЗЕЛЬНОМУ ДВИГУНАХ

Порівняльні дані про механічні втрати, виміряні в однакових умовах роботи бензинового двигуна зі ступенем стиснення е = 6 і дизеля зі ступенем стиснення е = 16 (табл. 11, А).

Для бензинового двигуна, крім того, у табл. 11 Б проведено також порівняння механічних втрат при повному і частковому навантаженнях.

Таблиця 11.А. Середній тиск різних видів механічних втрат у бензиновому та дизельному двигунах. ( 1600 хв-1), МПа

Вид втрат	Тип двигуна
	Бензиновийe = 6	дизельнийe = 16
	0,025	0,025
Привід водяного, масляного та паливного насосів	0,0072	0,0108
Привід механізму газорозподілу	0,0108	0,0108
Втрати в корінних та латунних підшипниках	0,029	0,043
	0,057	0,09
Механічні втрати, всього	0,129	0,18
Середній ефективний тиск	0,933	0,846
Механічний ККД, %	87,8	82,5

Таблиця 11.Б. Середній тиск різних видів механічних втрат у бензиновому двигуні (1600 хв-1, e = 6) при різних навантаженнях, МПа

Вид втрат
	100 %	30 %
Насосні втрати (втрати на газообмін)	0,025	0,043
Привід механізму газорозподілу та допоміжного обладнання	0,0179	0,0179
Втрати у кривошипно-шатунному механізмі	0,0287	0,0251
Втрати у циліндропоршневій групі	0,0574	0,05
Механічні втрати, всього	0,129	0,136
Середній ефективний тиск	0,933	0,280
Механічний ККД, %	87,8	67,3

Загальні втрати, як бачимо з табл. 11 відносно невеликі, оскільки були виміряні при низькій частоті обертання (1600 хв-1). Зі зростанням швидкості обертання втрати збільшуються внаслідок дії сил інерції поступово рухомих мас, що зростають пропорційно другого ступеня частоти обертання, а також відносної швидкості в підшипнику, так як в'язкі тертя також пропорційно квадрату швидкості. Цікаво порівняти також індикаторні діаграми в циліндрах двох двигунів (рис. 89). Тиск у циліндрі дизеля дещо вищий, ніж у бензинового двигуна, і тривалість його дії більша. Таким чином, гази притискають кільця до стінки циліндра з більшою силою і більш тривалий час, тому і втрати на тертя в циліндропоршневій групі у дизеля більше. Збільшені в порівнянні з бензиновим двигуном розміри, особливо діаметр підшипників дизеля, також сприяють збільшенню механічних втрат.

Тертя в підшипниках викликане напругою зсуву в масляній плівці. Воно лінійно залежить від розмірів поверхонь тертя та пропорційно квадрату швидкості зсуву. Істотний вплив на тертя має в'язкість масла і, меншою мірою, товщина масляної плівки в підшипниках. Тиск газу в циліндрі майже не впливає на втрати підшипників.

ВПЛИВ ДІАМЕТРУ ЦИЛІНДРУ І ХОДУ ПОРШНЯ НА ЕФЕКТИВНИЙ ККД ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

Раніше йшлося про зниження до мінімуму втрат теплоти для підвищення індикаторного ККД двигуна, причому переважно йшлося про зменшення відношення поверхні камери згоряння до її обсягу. Об'єм камери згоряння певною мірою вказує на кількість теплоти, що вводиться. Теплотворна здатність заряду, що надходить, в бензиновому двигуні визначена співвідношенням повітря і палива, близьким до стехіометричного. У дизель подається чисте повітря, а подача палива обмежена ступенем неповноти згоряння, при якій у відпрацьованих газах з'являється дим.

Найменше відношення поверхні до заданого обсягу має сфера. Тепло в навколишній простір відводиться поверхнею, тому маса, що має форму кулі, охолоджується найменшою мірою. Ці очевидні співвідношення враховуються при проектуванні камери згоряння Слід, проте, пам'ятати геометричне подібність деталей двигунів різних розмірів. Як відомо, обсяг сфери дорівнює 4/3лR3, а її поверхня - 4лR2, і, таким чином, обсяг із зростанням діаметра збільшується швидше, ніж поверхня, і, отже, сфера більшого діаметра матиме меншу величину відношення поверхні до обсягу. Якщо поверхні сфери різного діаметра мають однакові перепади температур і однакові коефіцієнти тепловіддачі а, то велика сфера охолоджуватиметься повільніше.

Двигуни геометрично подібні, коли мають однакову конструкцію, але відрізняються розмірами. Якщо перший двигун має діаметр циліндра, наприклад, рівний одиниці, а другий двигун він о 2рази більше, то всі лінійні розміри другого двигуна будуть у 2 рази, поверхні – у 4 рази, а обсяги – у 8 разів більше, ніж у першого двигуна. Повного геометричного подібності досягти, однак, не вдається, тому що розміри, наприклад, свічок запалювання та паливних форсунок однакові у двигунів з різними розмірами діаметра циліндра.

З геометричної подібності можна зробити той висновок, що більший за розмірами циліндр має більш прийнятне відношення поверхні до об'єму, тому його теплові втрати при охолодженні поверхні в однакових умовах будуть меншими.

При визначенні потужності потрібно, однак, враховувати деякі фактори, що обмежують. Потужність двигуна залежить як від розмірів, т. е. обсягу циліндрів двигуна, а й від частоти його обертання, і навіть середнього ефективного тиску. Частота обертання двигуна обмежена максимальною середньою швидкістю поршня, масою та досконалістю конструкції кривошипно-шатунного механізму. Максимальні середні швидкості поршня бензинових двигунів лежать у межах 10-22 м/с. У двигунів легкових автомобілів максимальне значення середньої швидкості поршня досягає 15 м/с, а значення величини середнього ефективного тиску при повному навантаженні близькі до 1 МПа.

Робочий об'єм двигуна та його розміри визначають не тільки геометричні фактори. Наприклад, товщина стінок задана технологією, а не навантаженням на них. Теплопередача через стінки залежить не від їх товщини, а від теплопровідності їх матеріалу, коефіцієнтів тепловіддачі па поверхнях стінок, перепаду температур і т. д. т. д. Деякі висновки щодо впливу геометричних розмірів циліндрів, тим не менш, необхідно зробити.

ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ ЦИЛІНДРУ З ВЕЛИКИМ РОБОЧИМ ОБСЯГОМ

Циліндр більшого робочого об'єму має менші відносні втрати теплоти стінки. Це добре підтверджується прикладами стаціонарних дизелів із великими робочими об'ємами циліндрів, які мають дуже низькі питомі витрати пального. Щодо легкових автомобілів це становище, однак, підтверджується не завжди.

Аналіз рівняння потужності двигуна показує, що найбільша потужність двигуна може бути досягнута за невеликої величини ходу поршня.

Середня швидкість поршня може бути розрахована як

де: S-хід поршня, м; n – частота обертання, хв-1.

При обмеженні середньої швидкості поршня П частота обертання може бути тим вище, чим менше хід поршня. Рівняння потужності чотиритактного двигуна має вигляд

де: Vh – об'єм двигуна, дм3; n – частота обертання, хв-1; pe – середній тиск, МПа.

Отже, потужність двигуна прямо пропорційна частоті його обертання та робочому об'єму. Тим самим до двигуна одночасно висуваються протилежні вимоги - великий робочий об'єм циліндра і короткий хід. Компромісне рішення полягає у застосуванні більшої кількості циліндрів.

Найбільш переважний робочий об'єм одного циліндра високооборотного бензинового двигуна становить 300-500 см3. Двигун з малим числом таких циліндрів погано врівноважений, а з великим - має значні механічні втрати і має тому підвищені питомі витрати палива. Восьмициліндровий двигун робочим об'ємом 3000 см3 має меншу питому витрату палива, ніж дванадцятициліндровий з таким же робочим об'ємом.

Для досягнення малої витрати палива доцільно застосовувати двигуни з малою кількістю циліндрів. Однак одноциліндровий двигун з великим робочим об'ємом не знаходить застосування в автомобілях, оскільки його відносна маса велика, а врівноваження можливе лише при використанні спеціальних механізмів, що веде до додаткового збільшення маси, розмірів і вартості. Крім того, велика нерівномірність моменту крутного одноциліндрового двигуна неприйнятна для трансмісій автомобіля.

Найменша кількість циліндрів у сучасного автомобільного двигуна дорівнює двом. Такі двигуни успішно застосовують в автомобілях особливо малого класу (“Сітроен 2 CV”, “Фіат 126”). Сточки зору врівноваженості, наступним у ряді доцільного застосування стоїть чотирициліндровий двигун, проте в даний час починають застосовувати трициліндрові двигуни з невеликим робочим об'ємом циліндрів, оскільки вони дозволяють отримати малі витрати палива. Крім того, менша кількість циліндрів спрощує та здешевлює допоміжне обладнання двигуна, оскільки скорочується кількість свічок запалювання, форсунок, плунжерних пар паливного насоса високого тиску. При поперечному розташуванні автомобіля такий двигун має меншу довжину і не обмежує поворот керованих коліс.

Трициліндровий двигун дозволяє використовувати уніфіковані з чотирициліндровим основні деталі: гільзу циліндра, поршневий комплект, шатунний комплект, клапанний механізм. Таке ж рішення можливе і для п'ятициліндрового двигуна, що дозволяє при необхідності збільшення потужності ряду вгору від базового чотирициліндрового двигуна уникнути переходу на більш довгий шестициліндровий.

На переваги застосування дизелів із великим робочим об'ємом циліндра вже було зазначено. Крім зменшення втрат теплоти при згорянні це дає можливість отримати компактнішу камеру згоряння, в якій при помірних ступенях стиснення створюються більш високі температури до моменту впорскування палива. У циліндра з великим робочим об'ємом можна використовувати форсунки з великим числом соплових отворів, що мають меншу чутливість до нагароутворення.

ВІДНОСИНА ХОДУ ПОРШНЯ ДО ДІАМЕТРУ ЦИЛІНДРУ

Приватне від розподілу величини ходу поршня S на величину діаметра циліндра Dявляє собою широко вживане значення відношення S/D . Позиція на величину ходу поршня протягом розвитку двигунобудування змінювалася.

На початковому етапі автомобільного двигунобудування діяла так звана податкова формула, на основі якої стягуваний податок на потужність двигуна розраховувався з урахуванням числа та діаметра D його циліндрів. Класифікація двигунів здійснювалася також відповідно до цієї формули. Тому віддавалася перевага двигунам з великою величиною ходу поршня для того, щоб збільшити потужність двигуна в рамках даної податкової категорії. Потужність двигуна зростала, але збільшення частоти обертання було обмежено допустимою середньою швидкістю поршня. Оскільки механізм газорозподілу двигуна в цей період не був розрахований на високу оборотність, обмеження частоти обертання швидкістю поршня не мало значення.

Як тільки описана податкова формула була скасована, і класифікація двигунів стала проводиться відповідно до робочого об'єму циліндра, хід поршня почав різко зменшуватися, що дозволило збільшити частоту обертання і тим самим потужність двигуна. У циліндрах більшого діаметра стало можливим застосування великих клапанів. Тому були створені короткохідні двигуни із ставленням S/D, що досягає 0,5. Удосконалення механізму газорозподілу, особливо при використанні чотирьох клапанів у циліндрі, дозволило довести номінальну частоту обертання двигуна до 10 000 хв-1 і більше, внаслідок чого питома потужність швидко зросла

В даний час велика увага приділяється зменшенню витрат палива Проведені з цією метою дослідження впливу S/D показали, що короткохідні двигуни мають підвищену питому витрату палива. Це викликано великою поверхнею камери згоряння, а також зниженням механічного ККД двигуна через відносно велику величину поступово рухомих мас деталей шатунно-поршневого комплекту і зростання втрат на приводи допоміжного обладнання. зачіпала противагами колінчастого валу. Маса поршня при зменшенні його ходу мало зменшилася і при використанні виїмок і вирізів на спідниці поршня Для зниження викиду токсичних речовин у газах, що відпрацювали, доцільніше застосовувати двигуни з компактною камерою згоряння і з більш довгим ходом поршня D відмовляються.

Залежність середнього ефективного тиску від відношення S/D у кращих гоночних двигунів, де чітко видно зниження д при малих відносинах S / D, наведена на рис. 90 В даний час вигіднішим вважається відношення S/D рівне або дещо більше одиниці. Хоча при короткому ході поршня відношення поверхні циліндра до його робочого об'єму при положенні поршня в НМТ менше, ніж у довгохідних двигунів, нижня зона циліндра не така важлива для відведення теплоти, оскільки температура газів вже помітно падає

Довгохідний двигун має більш вигідне відношення поверхні, що охолоджується, до об'єму камери згоряння при положенні поршня в ВМТ, що більш важливо, так як в цей період циклу температура газів, що визначає втрати теплоти, найбільш висока. Скорочення поверхні тепловіддачі в цій фазі процесу розширення зменшує теплові втрати і покращує індикаторний ККД двигуна.

ІНШІ ШЛЯХИ ЗНИЖЕННЯ ВИТРАТИ ПАЛИВА ДВИГУНОМ

Двигун працює з мінімальною витратою палива лише у певній галузі своєї характеристики.

При експлуатації автомобіля потужність його двигуна повинна завжди розташовуватись на кривій мінімальної питомої витрати палива. У легковому автомобілі ця умова можна здійснити, якщо використовувати чотири- і п'ятиступінчасту коробку передач, причому чим менше передач, тим важче виконати цю умову. Під час руху горизонтальною ділянкою дороги двигун не працює в оптимальному режимі навіть при включенні четвертої передачі. Тому для оптимального завантаження двигуна автомобіль необхідно розганяти на вищій передачі до досягнення максимально дозволеної законом швидкості. Далі доцільно перевести коробку передач в нейтральне положення, вимкнути двигун і їхати по інерції до падіння швидкості, наприклад до 60 км/год, а потім знову включити двигун і вищу передачу в коробці і при оптимальному натисканні на педаль управління двигуна знову довести швидкість до 90 км/год.

Таке керування автомобілем способом “розгін-накат”. Цей спосіб керування прийнятний для змагань на економічність, оскільки двигун або працює в економічній області характеристики, або відключений. Однак для реальної експлуатації автомобіля за інтенсивного руху він не придатний.

Цей приклад показує один із способів зменшення витрати палива. Інший спосіб мінімізації питомої витрати палива - обмеження потужності двигуна за збереження його хорошого механічного ККД. Негативний вплив часткового навантаження на механічний ККД було показано і в табл. 11А. Зокрема, із табл. 11.Б видно, що при зниженні навантаження двигуна зі 100% до 30% частка механічних втрат в індикаторній роботі збільшується з 12% до 33%, а механічний ККД падає з 88% до 67%. Величина потужності, що дорівнює 30% від максимальної, може бути досягнута при роботі лише двох циліндрів чотирициліндрового двигуна.

ВИМИКАННЯ ЦИЛІНДРІВ

Якщо при частковому навантаженні багатоциліндрового двигуна вимкнути кілька циліндрів, то решта працюватиме при більшому навантаженні з кращим ККД. Так, при роботі восьмициліндрового двигуна з частковим навантаженням весь об'єм повітря можна направити тільки чотирьом циліндрам, їхнє навантаження збільшиться вдвічі і ефективний ККД двигуна підвищиться. Охолоджувальна поверхня камер згоряння у чотирьох циліндрів менша, ніж у восьми, тому кількість теплоти, відведена системою охолодження, знижується, і витрата палива може зменшитися на 25%.

Для відключення циліндрів зазвичай застосовують керування приводом клапанів. Якщо обидва клапани закриті, то суміш в циліндр не надходить і газ, що постійно перебуває в ньому, послідовно стискається і розширюється. Робота, що витрачається при цьому на стиск газу, знову вивільняється при розширенні в умовах невеликого відведення теплоти стінками циліндра. Механічний та індикаторний ККД у цьому випадку покращуються в порівнянні з ККД восьмициліндрового двигуна, що працює на всіх циліндрах при тій же ефективній потужності.

Цей спосіб вимикання циліндрів дуже зручний, тому що циліндр відключається автоматично при переході двигуна на часткові навантаження та включається практично миттєво при натисканні на педаль керування. Отже, водій у будь-який момент може використовувати повну потужність двигуна для здійснення обгону або швидкого подолання підйому. При русі місті економія палива виявляється особливо чітко. У вимкнених циліндрів відсутні насосні втрати, і вони не подають повітря у випускний трубопровід. При русі під ухил вимкнені циліндри чинять менший опір, гальмування двигуном зменшується, і автомобіль інерції проходить більший шлях, як за наявності муфти вільного ходу.

Вимикання циліндра верхньоклапанного двигуна з нижнім розподільним валом зручно здійснити за допомогою упору коромисла клапана, що переміщується електромагнітом. При вимиканні електромагніта клапан залишається закритим, оскільки коромисло повертається кулачком розподільчого валу навколо точки торкання з торцем стрижня клапана, а упор коромисла може вільно переміщатися.

У восьмициліндрового двигуна два або чотири циліндри вимикають таким чином, щоб чергування циліндрів, що працюють, було по можливості рівномірним. У шестициліндровому двигуні вимикається від одного до трьох циліндрів. Зараз проводять також випробування вимикання двох циліндрів чотирициліндрового двигуна.

Подібне відключення клапанів у двигуна з верхнім розташуванням розподільного валу важко, тому застосовують інші способи відключення циліндрів. Наприклад, половину циліндрів шестициліндрового двигуна БМВ (ФРН) вимикають так, що у трьох циліндрів відключаються запалення і впорскування, а гази, що відпрацювали, з трьох працюючих циліндрів відводяться через три відключених циліндра і можуть розширюватися далі. Цей процес здійснюється клапанами у впускному та випускному трубопроводах. Перевага цього способу полягає в тому, що вимкнені циліндри постійно нагріваються проходять відпрацьованими газами.

У восьмициліндровому V-подібному двигуні "Порше 928" з відключенням циліндрів є дві практично повністю відокремлені один від одного чотирициліндрові V-подібні секції. Кожна з них має самостійний впускний трубопровод, механізм газорозподілу при цьому не має відключення приводів клапанів. Один з двигунів відключається закриванням дросельної заслінки і припиненням упорскування бензину, причому випробування показали, що насосні втрати будуть найменшими при невеликому відкритті дросельної заслінки. Дросельні заслінки обох секцій оснащені незалежними приводами. Секція, що відключається, постійно подає невелику кількість повітря в загальний випускний трубопровід, яке використовується для допалювання відпрацьованих газів в термічному реакторі. Це унеможливлює застосування спеціального насоса для подачі вторинного повітря.

При розподілі восьмициліндрового двигуна на дві чотирициліндрові секції одна з них відрегульована на великий момент при низькій частоті обертання і постійно знаходиться в роботі, а друга - на максимальну потужність і включається тільки при необхідності мати потужність, близьку до максимальної. Секції двигуна можуть мати різні фази газорозподілу та різної довжини впускні трубопроводи.

Багатопараметрові характеристики двигуна "Порше 928" при роботі восьми (суцільні криві) та чотирьох циліндрів (штрихові криві) наведені на рис. 91. Області покращення питомої витрати палива за рахунок відключення чотирьох циліндрів двигуна заштриховані. Наприклад, при частоті обертання 2000 хв-1 і моменті, що крутить, 80 Н·м питома витрата палива при роботі всіх восьми циліндрів двигуна становить 400 г/(кВт·ч), тоді як у двигуна з чотирма вимкненими циліндрами на тому ж режимі він трохи більше 350 г/(кВт·год).

Ще більш помітну економію палива можна отримати при низьких швидкостях руху автомобіля. Різниця у витраті палива при рівномірному русі горизонтальною ділянкою шосе дана на рис. 92. У двигуна із чотирма вимкненими циліндрами (пунктирна крива) при швидкості 40 км/год витрата палива падає на 25 %: з 8 до 6 л/100 км.

Але економія палива у двигуні може досягатися не лише вимкненням циліндрів. У нових двигунах "Порше" моделі ТОР(“термодинамічно оптимізований двигун “Порше”) було реалізовано всі можливі способи підвищення індикаторного ККД традиційного бензинового двигуна. Ступінь стиснення була підвищена спочатку з 8,5 до 10, а потім зміною форми днища поршня - до 12,5 при одночасному підвищенні інтенсивності обертання заряду в циліндрі при такті стиснення. У модернізованих таким чином двигунів "Порше 924" та "Порше 928" питома витрата палива знизилася на 6-12%. Застосована при цьому електронна система запалювання, встановлюючи оптимальний кут випередження запалення в залежності від частоти обертання та навантаження двигуна, підвищує ККД двигуна при його роботі на часткових навантаженнях в умовах сумішей бідного складу, а також унеможливлює детонацію на режимах максимальних навантажень.

Вимкнення двигуна при зупинках автомобіля на перехрестях також приносить економію палива. При роботі двигуна на холостому ході з частотою обертання нижче, ніж 1000 хв-1, і температурі рідини, що охолоджує, більше 40 °С через 3,5 с запалювання вимикається. Двигун знову пускається лише після натискання на педаль керування. Це знижує витрату палива на 25-35%, і, отже, бензинові двигуни "Порше" моделі ТОРу частині паливної економічності можуть конкурувати з дизелями.

Фірма "Мерседеї-Бенц" також зробила спроби знизити витрату палива у восьмициліндровому двигуні методом відключення циліндрів. Вимкнення досягалося за допомогою електромагнітного пристрою, що розриває жорсткий зв'язок між кулачком та клапаном. У разі руху містом витрата палива у своїй знизився на 32 %.

ПЛАЗМЕННЕ ЗАПАЛЕННЯ

Зменшити витрату палива та вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах можна використанням бідних сумішей, проте їхнє іскрове запалення викликає труднощі. Гарантоване запалювання іскровим розрядом має місце при масовому співвідношенні повітря/паливо не більше 17. При більш бідних складах виникають перепустки займання, що веде до зростання вмісту шкідливих речовин у газах, що відпрацювали.

При створенні розшарованого заряду в циліндрі можна забезпечити спалювання дуже бідної суміші за умови, що у зоні свічки запалювання утворюється суміш багатого складу. Багата суміш легко спалахує, і смолоскип полум'я, викинутий в об'єм камери згоряння, спалахує бідну суміш, що знаходиться.

В останні роки ведуться дослідження з запалення бідних сумішей плазмовим та лазерним способами, при яких у камері згоряння утворюється кілька вогнищ горіння, оскільки займання суміші відбувається одночасно в різних зонах камери. Внаслідок цього відпадають проблеми детонації, і ступінь стиснення можна підвищити навіть за використання низькооктанового палива. При цьому можливе займання бідних сумішей із співвідношенням повітря/паливо, що досягає 27.

При плазмовому запалюванні електрична дуга утворює високу концентрацію електричної енергії в іонізованому іскровому проміжку досить великого обсягу. При цьому в дузі розвиваються температури до 40 000 ° С, тобто створюються умови, аналогічні дугового зварювання.

Реалізувати плазмовий спосіб запалювання у двигуні внутрішнього згоряння, однак, не так просто. Плазмова свічка запалювання зображена на рис. 93. Під центральним електродом в ізоляторі свічки виконано невелику камеру. При виникненні електричного розряду великої довжини між центральним електродом і корпусом свічки газ у камері нагрівається до дуже високої температури і, розширюючись, виходить через отвір у корпусі свічки камеру згоряння. Утворюється плазмовий факел довжиною близько 6 мм, завдяки чому виникає кілька вогнищ полум'я, що сприяють займанню та згорянню бідної суміші.

Інший тип системи плазмового запалювання використовує невеликий насос високого тиску, що подає повітря до електродів у момент утворення дугового розряду. Об'єм іонізованого повітря, що утворюється при розряді між електродами, надходить в камеру згоряння.

Ці способи дуже складні та не застосовуються в автомобільних двигунах. Тому було розроблено інший метод, у якому свічка запалювання утворює постійну електричну дугу протягом 30° кута повороту колінчастого вала. У цьому випадку вивільняється до 20 МДж енергії, що набагато більше, ніж за звичайного іскрового розряду. Відомо, що якщо при іскровому запаленні не утворюється достатньої кількості енергії, суміш не запалюється.

Плазмова дуга в поєднанні з обертанням заряду в камері згоряння утворює велику поверхню займання, так як при цьому форма і розмір плазмової дуги значною мірою змінюються. Поряд із збільшенням тривалості періоду займання це означає також наявність високої енергії, що вивільняється для нього.

На відміну від стандартної системи у вторинному контурі плазмової системи запалення діє постійна напруга 3000 В. У момент розряду в іскровому проміжку свічки виникає звичайна іскра. При цьому опір на електродах свічки зменшується, і постійна напруга 3000 утворює дугу, запалену в момент розряду. Для підтримки дуги достатньо напруги близько 900 Ст.

Плазмова система запалювання відрізняється від стандартної вбудованим високочастотним (12 кГц) переривником постійного струму з напругою 12 В. Індукційна котушка підвищує напругу до 3000 В, яка випрямляється далі. Слід зазначити, що тривалий дуговий розряд на свічці запалювання суттєво знижує термін її експлуатації.

При плазмовому запаленні полум'я поширюється камерою згоряння швидше, тому потрібна відповідна зміна кута випередження запалення. Випробування системи плазмового запалення на автомобілі "Форд Пінто" (США) з робочим об'ємом двигуна 2300 см3 та автоматичною коробкою передач дали результати, наведені в табл. 12.

Таблиця 12. Результати випробувань системи плазмового запалення на автомобілі "Форд Пінто"

Тип системи запалення	Викид токсичних речовин, г			Витрата палива, л/100 км
	СНх	СО	NOх	міський випробувальний цикл	дорожній випробувальний цикл
Стандартна	0,172	3,48	1,12	15,35	11,41
Плазмова з оптимальним регулюванням кута випередження запалювання	0,160	3,17	1,16	14,26	10,90
Плазмова з оптимальним регулюванням кута випередження запалення та складу суміші	0,301	2,29	1,82	13,39	9,98

При плазмовому запаленні можна здійснити якісне регулювання бензинового двигуна, при якому кількість повітря, що подається залишається незмінним, а регулювання потужності двигуна проводиться тільки регулюванням кількості палива, що подається. При застосуванні в двигуні системи плазмового запалення без зміни регулювання кута випередження запалення та складу суміші витрата палива зменшився на 0,9 %, при регулюванні кута запалювання – на 4,5 %, а при оптимальному регулюванні кута запалювання та складу суміші – на 14 % ( див. таблицю 12). Плазмове запалювання покращує роботу двигуна особливо при часткових навантаженнях, і витрата палива може бути такою самою, як і у дизеля.

ЗНИЖЕННЯ ВИКИДУ ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН З ВИРОБНИМИ ГАЗами

Зростання моторизації приносить із собою необхідність проведення заходів щодо охорони навколишнього середовища. Повітря у містах дедалі більше забруднюється речовинами, шкідливими здоров'ю людини, особливо окисом вуглецю, незгорілими вуглеводнями, оксидами азоту, сполуками свинцю, сірки тощо. буд. у автомобільних двигунах.

Поряд із токсичними речовинами при експлуатації автомобілів шкідливий вплив на населення чинить і їхній шум. Останнім часом у містах рівень шуму зростав щороку на 1 дБ, тому необхідно призупинити зростання загального рівня шуму, а й домогтися його зниження. Постійна дія шуму викликає нервові захворювання, знижує працездатність людей, особливо зайнятих розумовою діяльністю. Моторизація приносить шум раніше тихі віддалені місця. Зниженню шуму, створюваного деревообробними та сільськогосподарськими машинами, на жаль, досі не приділяється належної уваги. Ланцюгова бензопила створює шум у значній частині лісу, що викликає зміни умов життя тварин та нерідко буває причиною зникнення їх окремих видів.

Найчастіше, однак, викликає нарікання забруднення атмосфери відпрацьованими газами автомобілів.

Таблиця 13. Допустимий викид шкідливих речовин із відпрацьованими газами легкових автомобілів згідно із законодавством шт. Каліфорнія, США

При жвавому русі відпрацьовані гази накопичуються біля поверхні ґрунту і за наявності сонячної радіації, особливо в промислових містах, розташованих у погано провітрюваних улоговинах, утворюється так званий смог. Атмосфера забруднюється настільки, що перебування у ній шкодить здоров'ю. Співробітники дорожньої служби, які стоять на деяких жвавих перехрестях, для збереження свого здоров'я застосовують кисневі маски. Особливо шкідливий розташований поблизу земної поверхні відносно важкий окис вуглецю, що проникає в нижні поверхи будівель, гаражі і вже не одного разу призводила до смертельних випадків.

Законодавчі підприємства обмежують вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах автомобілів, причому вони постійно посилюються (табл. 13).

Приписи приносять виробникам автомобілів великі турботи; вони також опосередковано впливають і ефективність автомобільного транспорту.

Для повного згоряння палива можна допустити деякий надлишок повітря для того, щоб забезпечити гарне змішання з ним палива. Необхідний надлишок повітря залежить від рівня перемішування палива з повітрям. У карбюраторних двигунах цей процес відводиться значний час, оскільки шлях палива від смесеобразующего пристрою до свічки запалювання досить великий.

Сучасний карбюратор дозволяє утворити різні види суміші. Найбільш" багата суміш потрібна для холодного пуску двигуна, так як значна частка палива конденсується на стінках впускного трубопровідний і відразу в циліндр не потрапляє. Випаровується при цьому лише невелика частина легких фракцій палива. При прогріванні двигуна також потрібна суміш багатого складу.

При русі автомобіля склад паливоповітряної суміші повинен бути бідним, що забезпечить хороший ККД та невелику питому витрату палива. Для досягнення максимальної потужності двигуна потрібно мати багату суміш, щоб повністю використовувати всю масу повітря, що надійшло в циліндр. Для забезпечення хороших динамічних якостей двигуна при швидкому відкриванні дросельної заслінки необхідно додатково подати у впускний трубопровід деяку кількість палива, що компенсує паливо, що осів і сконденсоване на стінках трубопроводу в результаті підвищення в ньому тиску.

Для хорошого перемішування палива з повітрям слід створити високу швидкість повітря та його обертання. Якщо переріз дифузора карбюратора постійно, то при низьких частотах обертання двигуна для хорошого сумішоутворення швидкість повітря в ньому мала, а при високих - опір дифузора призводить до зменшення маси повітря, що надходить в двигун. Цей недолік можна усунути, використовуючи карбюратор зі змінним перерізом дифузора або упорскування палива у впускний трубопровід.

Існує кілька типів систем упорскування бензину у впускний трубопровід. У системах, що найчастіше застосовуються, паливо подається через окрему для кожного циліндра форсунку, завдяки чому досягається рівномірний розподіл палива між циліндрами, усувається осідання і конденсація палива на холодних стінках впускного трубопроводу. Кількість палива, що впорскується, легше наблизити до оптимального, необхідного двигуном в даний момент. Відпадає необхідність у дифузорі, виключаються виникаючі при його проходженні повітрям втрати енергії. Як приклад такої системи подачі палива можна навести часто використовувану систему упорскування типу "Бош К-Джетронік", що вже згадувалося раніше в 9.5 при розгляді двигунів з турбонаддувом.

Схема цієї системи представлена ​​рис. 94. Конічний патрубок /, в якому переміщається качающийся на важелі 2 клапан 5, виконаний так, що підйом клапана пропорційний масовому витраті повітря. Вікна 5 для проходу палива відкриваються золотником 6 в корпусі регулятора при переміщенні важеля під впливом лотока повітря, що надходить. Необхідні зміни складу суміші відповідно до індивідуальних особливостей двигуна досягаються формою конічного патрубка. Важіль із клапаном урівноважений противагою, сили інерції при коливаннях автомобіля не впливають на клапан.

Витрата повітря, що надходить у двигун, регулюється дросельною заслінкою 4. Демпфування коливань клапана, а з ним і золотника, що виникають за низьких частот обертання двигуна внаслідок пульсацій тиску повітря у впускному трубопроводі, досягається жиклерами в паливній системі. Для регулювання кількості палива, що подається, служить також гвинт 7, розташований в важелі клапана.

Між вікном 5 та форсункою 8 розміщено розподільчий клапан 10, підтримуючий за допомогою пружини 13 і сідла 12, спирається на мембрану //, постійний тиск упорскування в розпилювачі форсунки 0,33 МПа при тиску перед клапаном 0,47 МПа.

Паливо з бака 16 подається електричним бензонасосом 15 через регулятор тиску 18 та паливний фільтр 17 у нижню камеру 9 корпуса регулятора. Постійний тиск палива в регуляторі підтримується редукційним клапаном 14. Мембранний регулятор 18 призначений для збереження тиску палива при двигуні, що не працює. Це запобігає утворенню повітряних пробок та забезпечує гарний пуск гарячого двигуна. Регулятор також уповільнює зростання тиску палива під час пуску двигуна та гасить його коливання у трубопроводі.

Холодний пуск двигуна полегшує декілька пристроїв. Перепускний клапан 20, керований біметалічної пружиною, відкриває при холодному пуску зливну магістраль у паливний бак, що знижує тиск палива на торець золотника. Цим порушується рівновага важеля і одному й тому ж кількості повітря, що надходить, буде відповідати більший обсяг впорскуваного палива. Іншим пристроєм є регулятор подачі додаткового повітря 19, діафрагму якого також відкриває біметалічна пружина. Додаткове повітря необхідне подолання підвищеного опору тертя холодного двигуна. Третій пристрій – це паливна форсунка 21 холодного пуску, керована термостатом 22 у водяній сорочці двигуна, який тримає форсунку відкритою, поки рідина, що охолоджує двигун, не досягне заданої температури.

Оснащення електронікою розглянутої системи упорскування бензину обмежене мінімумом. Електричний бензонасос при зупиненому двигуні вимкнений і, наприклад, при аварії паливоподача припиняється, що перешкоджає виникненню пожежі в автомобілі. У непрацюючому двигуні важіль, що знаходиться в нижньому положенні, натискає на розташований під ним вимикач, який перериває струм, що подається в стартер і нагрівальні спіралі термостата. Робота форсунки холодного пуску залежить від температури двигуна та часу його роботи.

Якщо один циліндр з впускного трубопроводу надходить більше повітря, ніж у інші, то подача палива визначається умовами роботи циліндра з великою кількістю повітря, т. е. з бідною сумішшю, щоб у ньому було забезпечене надійне займання. Інші циліндри при цьому працюватимуть при збагачених сумішах, що економічно невигідно і веде до підвищення вмісту шкідливих речовин.

У дизелях сумішоутворення більш утруднено, тому що на змішування палива та повітря відводиться дуже короткий час. Процес займання палива починається з невеликим запізненням після початку упорскування палива в камеру згоряння. У процесі згоряння упорскування палива все ще продовжується і в таких умовах неможливо досягти повного використання повітря.

У дизелях тому повинен бути надлишок повітря і навіть при димленні (що вказує на неповне згоряння суміші) у газах, що відпрацювали, присутній невикористаний кисень. Це спричинено поганим перемішуванням крапель палива з повітрям. У центрі паливного смолоскипа є нестача повітря, що і призводить до димлення, хоча в безпосередній близькості навколо смолоскипа знаходиться невикористане повітря. Частково про це вже згадувалося о 8.7.

Перевага дизелів полягає в тому, що спалах суміші гарантується і при великому надлишку повітря. Невикористання всієї кількості що надійшов у циліндр повітря при згорянні є причиною щодо невеликий питомої потужності дизеля на одиницю ваги і робочого об'єму, попри його високий рівень стиснення.

Більш досконале сумішоутворення має місце в дизелях з розділеними камерами згоряння, у яких багата суміш, що горить, з додаткової камери надходить в основну камеру згоряння, заповнену повітрям, добре змішується з ним і згоряє. Для цього потрібна менша кількість надлишкового повітря, ніж при безпосередньому упорскуванні палива, проте велика охолодна поверхня стінок призводить до великих втрат теплоти, що викликає падіння індикаторного ККД.

13.1. ОСВІТА ОКИСУ ВУГЛЕРОДУ З І ВУГЛЕВОДОРОДІВ СНx

При згорянні суміші стехіометричного складу повинні утворитися нешкідливі двоокис вуглецю СО2 і водяна пара, а при нестачі повітря внаслідок того, що частина палива згоряє неповністю, - додатково токсичні окис вуглецю СО і вуглеводні СНx, що не згоріли.

Ці шкідливі для здоров'я компоненти газів, що відпрацювали, можна допекти і знешкодити. З цією метою необхідно спеціальним компресором (рис. 95) подавати свіже повітря в таке місце випускного трубопроводу, де шкідливі продукти неповного згоряння можна спалити. Іноді повітря подають безпосередньо на гарячий випускний клапан.

Як правило, термічний реактор для допалювання СО і СНx розміщують відразу за двигуном безпосередньо на виході з нього газів, що відпрацювали. Відпрацьовані гази Мпідводяться в центр реактора, а відводяться з його периферії у випускний трубопровід V.Зовнішня поверхня реактора має теплоізоляцію I.

У найбільш нагрітій центральній частині реактора розміщена жарова камера, нагріта відпрацьованими газами,

де допалюються продукти неповного згоряння палива. При цьому вивільняється теплота, що підтримує високу температуру реактора.

Незгорілі компоненти у відпрацьованих газах можна окислити і без горіння за допомогою каталізатора. Для цього до відпрацьованих газів необхідно додати вторинне повітря, необхідне окислення, хімічну реакцію якого проведе каталізатор. При цьому вивільняється теплота. Каталізатором служать зазвичай рідкісні та дорогоцінні метали, тому він дуже дорогий.

Каталізатори можна застосувати у будь-якому типі двигуна, однак вони мають відносно невеликий термін служби. Якщо в паливі присутній свинець, то поверхня каталізатора швидко отруюється, і він стає непридатним. Отримання високооктанового бензину без свинцевих антидетонаторів є досить складним процесом, у якому витрачається багато нафти, що з її дефіциті економічно недоцільно. Зрозуміло, що допалювання палива в тепловому реакторі веде до енергетичних втрат, хоча при згорянні виділяється тепло, яке можна утилізувати. Тому доцільно так організувати процес у двигуні, щоб при згорянні в ньому палива утворювалася мінімальна кількість шкідливих речовин. У той самий час слід зазначити, що з виконання перспективних законодавчих розпоряджень застосування каталізаторів буде неминучим.

ОСВІТА ОКИСЛІВ АЗОТУ NOx

Шкідливі для здоров'я оксиди азоту утворюються за високої температури горіння за умов стехіометричного складу суміші. Зменшення викиду сполук азоту пов'язане з певними труднощами, оскільки умови їхнього зниження збігаються з умовами утворення шкідливих продуктів неповного згоряння і навпаки. У той же час температуру згоряння вдається знизити введенням у суміш будь-якого інертного газу або водяної пари.

Для цієї мети доцільно рециркулювати у впускний трубопровід охолоджені гази, що відпрацювали. Зменшується внаслідок цього потужність вимагає збагачення суміші, більшого відкриття дросельної заслінки, що збільшує загальний викид шкідливих СО і СНx з газами, що відпрацювали.

Рециркуляція відпрацьованих газів спільно зі зменшенням ступеня стиснення, зміною фаз газорозподілу та пізнішим запаленням може знизити вміст NOx на 80%.

Окиси азоту усувають з газів, що відпрацювали, використовуючи також і каталітичні методи. У цьому випадку відпрацьовані гази спочатку пропускаються через відновлювальний каталізатор, в якому відбувається зниження вмісту NOx а потім разом з додатковим повітрям - через окисний каталізатор, де усуваються СО та СНx. Схема такої двокомпонентної системи дана на рис. 96.

Для зниження вмісту шкідливих речовин у газах, що відпрацювали, застосовують так звані -зонди, які можуть бути також використані спільно з двокомпонентним каталізатором. Особливість системи з -зондом полягає в тому, що додаткове повітря для окислення не подається до каталізатора, але -зонд постійно стежить за вмістом кисню в газах, що відпрацювали, і управляє подачею палива таким чином, щоб склад суміші завжди відповідав стехіометричному. У цьому випадку СО, СНx і NOx будуть присутні у відпрацьованих газах у мінімальних кількостях.

Принцип роботи -зонда полягає в тому, що у вузькому діапазоні поблизу стехіометричного складу суміші = 1 напруга між внутрішньою та зовнішньою поверхнею зонда різко змінюється, що служить керуючим імпульсом для пристрою, що регулює подачу палива. Чутливий елемент 1 зонда виконаний з двоокису цирконію, а його поверхні 2 покриті шаром платини. Характеристика напруги між між внутрішньою і зовнішньою поверхнями чутливого елемента показані на рис. 97.

ІНШІ ТОКСИЧНІ РЕЧОВИНИ

Для збільшення октанового числа палива зазвичай застосовують антидетонатори, наприклад, тетраетилсвинець. Щоб з'єднання свинцю не осідали на стінках камери згоряння та клапанах, використовують так звані виносники, зокрема диброметил.

Ці сполуки надходять в атмосферу з газами, що відпрацювали, і забруднюють рослинність уздовж доріг. Потрапляючи з їжею в організм людини, сполуки свинцю шкідливо впливають з його здоров'я. Про осадження свімця в каталізаторах газів, що відпрацювали, вже згадувалося. У цьому важливою завданням нині є видалення свинцю з бензину.

Олія, що проникає в камеру згоряння, повністю не згоряє, і вихлопних газах підвищується вміст СО і СНx. Для виключення цього явища необхідні висока герметичність поршневих кілець та підтримка хорошого технічного стану двигуна.

Згоряння великої кількості олії особливо характерне для двотактних двигунів, у яких воно додається до палива. Негативні наслідки застосування бензомасляних сумішей частково пом'якшуються дозуванням масла спеціальним насосом відповідно до навантаження двигуна. Аналогічні проблеми існують і при застосуванні двигуна Ванкеля.

Шкідливий вплив на здоров'я людини мають і пари бензину. Тому вентиляцію картера необхідно здійснювати таким чином, щоб гази та пари, що проникають у картер через погану герметичність, не надходили в атмосферу. Витік парів бензину з паливного бака можна запобігти адсорбції та відсмоктування парів у впускну систему. Витік масла з двигуна та коробки передач, забруднення автомобіля внаслідок цього оліями також заборонені з метою збереження чистоти навколишнього середовища.

Зменшення витрати олії з економічної точки зору так само важливо, як і економія палива, оскільки олії значно дорожчі за паливо. Проведення регулярного контролю та технічного обслуговування скорочують витрату олії через виникнення несправностей двигуна. Течі олії у двигуні можуть спостерігатися, наприклад, внаслідок поганої герметичності кришки головки блоку циліндрів. Через витік масла забруднюється двигун, що буває причиною пожежі.

Небезпечний витік олії і внаслідок низької герметичності ущільнення колінчастого валу. Витрата олії у цьому випадку помітно зростає, і автомобіль залишає брудні сліди на дорозі.

Забруднення автомобіля олією дуже небезпечно, і масляні плями під автомобілем є приводом для заборони його експлуатації.

Олія, що витікає через ущільнення колінчастого валу, може потрапити в зчеплення і викликати пробуксовку. Однак негативніші наслідки викликає попадання олії в камеру згоряння. І хоча витрата масла при цьому відносно невелика, але неповне її згоряння збільшує викид шкідливих складових з газами, що відпрацювали. Горіння олії проявляється у зайвому димленні автомобіля, що типово для двотактних, а також значно зношених чотиритактних двигунів.

У чотиритактних двигунах масло проникає в камеру згоряння через поршневі кільця, що особливо помітно при великому зносі їх та циліндра. Основна причина проникнення олії в камеру згоряння полягає в нерівномірності прилягання компресійних кілець до кола циліндра. Відведення олії зі стінок циліндра здійснюється через прорізи маслознімного кільця та отвори в його канавці.

Через зазор між стрижнем і напрямною впускного клапана масло легко проникає у впускний трубопровід, де є розрідження. Це особливо часто спостерігається при використанні олій з малою в'язкістю. Запобігти витраті масла через цей вузол можна застосуванням гумового сальника на торці напрямної клапана.

Картерні гази двигуна, що містять багато шкідливих речовин, зазвичай відводяться спеціальним трубопроводом у впускну систему. Поступаючи з неї в циліндр, картерні гази згоряють разом з паливоповітряною сумішшю.

Малов'язкі олії знижують втрати на тертя, покращують механічний ККД двигуна та зменшують витрату палива. Однак не рекомендується застосовувати масла з меншою в'язкістю, ніж передбачено нормами. Це може спричинити підвищену витрату масла та велике зношування двигуна.

Внаслідок необхідності економії нафти збирання та використання відпрацьованого масла стають все більш важливими проблемами. Шляхом регенерації старих олій можна отримати значну кількість якісних рідких змащувальних речовин і одночасно запобігти забрудненню навколишнього середовища, припинивши скидання відпрацьованих олій у водні потоки.

ВИЗНАЧЕННЯ ДОПУСТИМОГО КІЛЬКОСТІ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН

Усунення шкідливих речовин із відпрацьованих газів – досить складне завдання. У великих концентраціях ці компоненти дуже шкідливі здоров'ю. Звичайно, неможливо відразу змінити становище, особливо стосовно парку автомобілів, що експлуатується. Тому законодавчі приписи щодо контролю за вмістом шкідливих речовин у відпрацьованих газах розраховані на нові автомобілі. Ці приписи поступово вдосконалюватимуться з урахуванням нових досягнень науки та техніки.

Очищення відпрацьованих газів пов'язане зі збільшенням витрати палива майже на 10%, зниженням потужності двигуна та зростанням вартості автомобіля. Зростає при цьому вартість технічного обслуговування автомобіля. Каталізатори також коштують дорого, оскільки їх компоненти складаються з рідкісних металів. Термін служби має бути розрахований на 80 000 км пробігу автомобіля, проте зараз його ще не досягнуто. Використовувані нині каталізатори служать близько 40 000 км пробігу, і навіть застосовується бензин без домішок свинцю.

Ситуація, що склалася, ставить під сумнів ефективність жорстких приписів щодо вмісту шкідливих домішок, оскільки це викликає значне зростання вартості автомобіля та його експлуатації, а також призводить до підвищеного споживання нафти.

Виконання жорстких вимог, що висуваються на перспективу, до чистоти відпрацьованих газів при сучасному стані бензинових і дизельних двигунів поки не є можливим. Тому доцільно звертати увагу на радикальну зміну силової установки механічних транспортних засобів.

У циліндрі двигуна з деякою періодичністю здійснюються термодинамічні цикли, які супроводжуються безперервною зміною термодинамічних параметрів робочого тіла – тиску, об'єму, температури. Енергія згоряння палива при зміні обсягу перетворюється на механічну роботу. Умовою перетворення теплоти на механічну роботу є послідовність тактів. До цих тактів у двигуні внутрішнього згоряння відносяться впуск (наповнення) циліндрів горючою сумішшю або повітрям, стиснення, згоряння, розширення та випуск. Обміном, що змінюється, є об'єм циліндра, який збільшується (зменшується) при поступальному русі поршня. Збільшення обсягу відбувається внаслідок розширення продуктів при згорянні горючої суміші, зменшення – при стисканні нового заряду паливної суміші чи повітря. Сили тиску газів на стінки циліндра та на поршень при такті розширення перетворюються на механічну роботу.

Акумульована в паливі енергія перетворюється на теплову енергію при скоєнні термодинамічних циклів, передається стінкам циліндрів шляхом теплового та світлового випромінювання, радіацією та від стінок циліндрів - охолоджуючої рідини та масі двигуна шляхом теплопровідності та в навколишній простір від поверхонь двигуна вільної та вимушеної

конвекцією. У двигуні присутні всі види передачі теплоти, що свідчить про складність процесів, що відбуваються.

Використання теплоти в двигуні характеризується ККД, що менше теплоти згоряння палива віддається у систему охолодження й у масу двигуна, то більше вписується роботи і вище ККД.

Робочий цикл двигуна здійснюється за два чи чотири такти. Основними процесами кожного робочого циклу є такти впуску, стискування, робочого ходу та випуску. Введення в робочий процес двигунів такту стиснення дозволило максимально зменшити охолодну поверхню і одіовремепіо підвищити тиск згоряння палива. Продукти горіння розширюються відповідно до стиснення горючої суміші. Такий процес дозволяє скоротити теплові втрати у стінки циліндрів та з випускними газами, збільшити тиск газів на поршень, що значно підвищує потужнісні та економічні показники двигуна.

Реальні теплові процеси у двигуні істотно відрізняються від теоретичних, заснованих на законах термодинаміки. Теоретичний термодинамічний цикл є замкнутим, обов'язкова умова його здійснення – передача теплоти холодному тілу. Відповідно до другого закону термодинаміки та в теоретичній тепловій машині повністю перетворити теплову енергію на механічну неможливо. У дизелях, циліндри яких заповнюються свіжим зарядом повітря і мають високі ступеня стиснення, температура горючої суміші в кінці такту впуску становить 310...350 К, що пояснюється відносно невеликою кількістю залишкових газів, в бензинових двигунах температура впуску в кінці такту становить 340. .400 До. Тепловий баланс горючої суміші при такті впуску можна подати у вигляді

де?) р т – кількість теплоти робочого тіла на початку такту впуску; Ос.ц - кількість теплоти, що надійшло робоче тіло при контакті з нагрітими поверхнями впускного тракту і циліндра; Qo г – кількість теплоти в залишкових газах.

З рівняння теплового балансу можна визначити температуру наприкінці такту впуску. Приймемо масове значення кількості свіжого заряду т з з,залишкових газів - т о гПри відомій теплоємності свіжого заряду з Р,залишкових газів с" рта робочої суміші з ррівняння (2.34) подається у вигляді

де Т сз – температура свіжого заряду перед впуском; А Т сз- Підігрів свіжого заряду при впуску його в циліндр; Т г- Температура залишкових газів в кінці випуску. Можливо з достатньою точністю вважати, що с" р = з рі с" р - с,з р,де с; - поправочний коефіцієнт, що залежить від Т сзта складу суміші. При а = 1,8 та дизельному паливі

При вирішенні рівняння (2.35) щодо Т апозначимо ставлення

Формула для визначення температури в циліндрі при впускі має вигляд

Ця формула справедлива як для чотиритактних, так і для двотактних двигунів, для двигунів з турбонаддувом температура в кінці впуску розраховується за формулою (2.36) за умови, що q = 1. Ухвалена умова не вносить великих похибок до розрахунку. Значення параметрів наприкінці такту впуску, визначені експериментально на номінальному режимі, представлені у табл. 2.2.

Таблиця 2.2

	Чотирьохтактні ДВС		Двотактні ДВС
Показник	з іскровим запалюванням		із прямоточною схемою газообміну
Коефіцієнт залишкових газів у ост
Температура відпрацьованих газів наприкінці випуску Г п К
Підігрів свіжого заряду,
Температура робочого тіла наприкінці впуску Т а,До

При такті впуску клапан в дизелі відкривається на 20...30° до приходу поршня в ВМТ і закривається після проходження НМТ на 40...60°. Тривалість відкриття впускного клапана становить 240...290°. Температура в циліндрі наприкінці попереднього такту - випуску дорівнює Т г= 600...900 К. Заряд повітря, що має температуру значно нижче, змішується з залишковими газами, що знаходяться в циліндрі, що знижує температуру в циліндрі в кінці впуску до Т а = 310...350 К. Перепад температур у циліндрі між тактами випуску та впуску дорівнює АТ а. г = Т а - Т р.Оскільки Т аАТ а. т = 290 ... 550 °.

Швидкість зміни температури в циліндрі в одиницю часу за такт дорівнює:

Для дизеля швидкість зміни температури при такті впуску при п е= 2400 хв -1 і фа = 260 ° складає з д = (2,9 ... 3,9) 10 4 град / с. Таким чином, температура в кінці такту впуску в циліндрі визначається масою та температурою залишкових газів після такту випуску та нагріванням свіжого заряду від деталей двигуна. Графіки функції co rt =/(Д е) такту впуску для дизелів та бензинових двигунів, представлені на рис. 2.13 і 2.14, свідчать про значно більшу швидкість зміни температури в циліндрі бензинового двигуна в порівнянні з дизелем і, отже, більшу інтенсивність теплового потоку від робочого тіла та її зростання зі збільшенням частоти обертання колінчастого валу. Середньостатистичне розрахункове значення швидкості зміни температури при такті впуску дизеля в межах частоти обертання колінчастого валу 1500...2500 хв -1 дорівнює = 2,3 10 4 ± 0,18 град/с, а у бензинового

двигуна в межах частоти обертання 2000 ... 6000 хв -1 - з I = 4,38 10 4 ± 0,16 град / с. При такті впуску температура робочого тіла приблизно дорівнює робочій температурі рідини, що охолоджує,

Рис. 2.13.

Рис. 2.14.

теплота стінок циліндра витрачається на нагрівання робочого тіла і не істотно впливає на температуру охолоджуючої рідини системи охолодження.

При такті стисненнявідбуваються досить складні процеси теплообміну усередині циліндра. На початку такту стиснення температура заряду паливної суміші менша за температуру поверхонь стінок циліндра і заряд нагрівається, продовжуючи віднімати теплоту від стінок циліндра. Механічна робота стиснення супроводжується поглинанням теплоти із зовнішнього середовища. У певний (нескінченно малий) проміжок часу температури поверхні циліндра та заряду суміші вирівнюються, внаслідок чого теплообмін між ними припиняється. При подальшому стисканні температура заряду горючої суміші перевищує температуру поверхонь стінок циліндра і тепловий потік змінює напрямок, тобто. теплота надходить до стінок циліндра. Загальна віддача теплоти від заряду горючої суміші незначна, вона становить близько 1,0...1,5 % кількості теплоти, що надходить з паливом.

Температура робочого тіла в кінці впуску та його ж температура в кінці стиснення пов'язані між собою рівнянням політропи стиснення:

де 8 – ступінь стиснення; п л -показник політроп.

Температура в кінці такту стиснення за загальним правилом розраховується за середнім постійним для всього процесу значенням показника політропи. щ.В окремому випадку показник політропи розраховується за балансом теплоти в процесі стиснення у вигляді

де і зі і" -внутрішня енергія 1 км свіжого заряду; і аі і" -внутрішня енергія 1 кмоль залишкових газів.

Спільне рішення рівнянь (2.37) та (2.39) при відомому значенні температури Т адозволяє визначити показник політропи щ.На показник політропи впливає інтенсивність охолодження циліндра. При низьких температурах охолоджуючої рідини температура поверхні циліндра нижче, отже, і п лбуде менше.

Значення параметрів кінця такту стиснення наведено у табл. 2.3.

Таблиця23

При такті стиснення впускний та випускний клапани закриті, поршень переміщається до ВМТ. Час здійснення такту стиснення у дизелів при частоті обертання 1500...2400 хв -1 становить 1,49 1СГ 2 ...9,31 КГ 3 з, що відповідає повороту колінчастого валу на кут ф (. = 134 °, у бензинових двигунів при частоті обертання 2400 ... 5600 хв -1 і сер = 116 ° - (3,45 ... 8,06) 1 (Г 4 с. Перепад температур робочого тіла в циліндрі між тактами стиснення і впуску АТ з _ а = Т с - Т ау дизелів знаходиться в межах 390...550 °С, у бензинових двигунів - 280...370 °С.

Швидкість зміни температури в циліндрі за такт стиснення дорівнює:

і для дизелів при частоті обертання 1500...2500 хв -1 швидкість зміни температури становить (3,3...5,5) 10 4 град/с, бензинових двигунів при частоті обертання 2000...6000 хв -1 - ( 3,2 ... 9,5) х х 10 4 град / с. Тепловий потік при такті стиску направлений від робочого тіла в циліндрі до стінок і в охолоджувальну рідину. Графіки функції зі = f(n e) для дизелів та бензинових двигунів представлені на рис. 2.13 та 2.14. З них випливає, що швидкість зміни температури робочого тіла у дизелів порівняно з бензиновими двигунами за однієї частоти обертання вище.

Процеси теплообміну при такті стиснення обумовлюються перепадом температур між поверхнею циліндра і зарядом горючої суміші, відносно невеликою поверхнею циліндра в кінці такту, масою горючої суміші та обмежено коротким проміжком часу, при якому відбувається теплопередача від горючої суміші до поверхні циліндра. Передбачається, що такт стиснення істотно не впливає на температурний режим системи охолодження.

Такт розширенняє єдиним тактом робочого циклу двигуна, у якому відбувається корисна механічна робота. Цьому такту передує процес згоряння горючої суміші. Результатом згоряння є підвищення внутрішньої енергії робочого тіла, що перетворюється на роботу розширення.

Процес згоряння є комплексом фізичних та хімічних явищ окислення палива з інтенсивним виділенням

теплоти. Для рідких вуглеводневих палив (бензин, дизельне паливо) процес згоряння є хімічними реакціями сполуки вуглецю та водню з киснем повітря. Теплота згоряння заряду горючої суміші витрачається на нагрівання робочого тіла, здійснення механічної роботи. Частина теплоти від робочого тіла через стінки циліндрів та головку нагріває блок-картер та інші деталі двигуна, а також охолоджувальну рідину. Термодинамічний процес реального робочого процесу з урахуванням втрат теплоти згоряння палива, що враховують неповноту згоряння, тепловіддачу стінки циліндрів та інше, вкрай складний. У дизелях і бензинових двигунах процес згоряння відрізняється і має особливості. У дизелях згоряння відбувається з різною інтенсивністю в залежності від ходу поршня: спочатку інтенсивно, а потім уповільнено. У бензинових двигунах згоряння відбувається миттєво, прийнято вважати, що воно відбувається при постійному обсязі.

Для обліку теплоти за складовими втрат, у тому числі тепловіддачі в стінки циліндрів, вводиться коефіцієнт використання теплоти згоряння Коефіцієнт використання теплоти визначається експериментально, для дизелів = 0,70...0,85 і бензинових двигунів?, = 0,85...0,90 з рівняння стану газів на початку та наприкінці розширення:

де – ступінь попереднього розширення.

Для дизелів

тоді

Для бензинових двигунів тоді

Значення параметрів у процесі згоряння та в кінці такту розширення для двигунів )