Историята на развитието на двигателите с вътрешно горене е дълга и сложна. От една страна се търси решаването на газообмена между външната среда и цилиндрите, от друга - правилната организация на горивния процес.
Четиритактов двигател
http://upload.wikime...roke-Engine.gif
Четиритактов двигател с работен процес по цикъла на Ото:
1. Всмукване
2. Сгъстяване
3. Работен ход
4. Изпускане
Действителните цикли на четиритактовите двигатели се осъществяват за четири такта или четири хода на буталото.
Първи такт - процес всмукване или пълнене. Този процес протича при движение на буталото от ГМТ (горна мъртва точка) до ДМТ (долна мъртва точка). Когато налягането на остатъчните газове в цилиндъра спадне значително, през всмукателния клапан, който се отваря с помощта на газоразпределителния механизъм, постъпва прясно работно вещество (горивна смес). Поради съпротивлението на пълнителната система налягането на работното вещество в цилиндъра в процеса на пълненето е по-малко от атмосферното налягане.
За да осигури максимално напълване на цилиндъра с прясно работно вещество, всмукателният клапан се отваря от 10 до 40 градуса преди ГМТ, т. е. с изпреварване, и се затваря от 20 до 70 градуса след ДМТ, т. е. със закъснение.
Втори такт - процес сгъстяване. Сгъстяването на работното вещество протича при движение на буталото от ДМТ до ГМТ след затварянето на всмукателния клапан. Тъй като надбуталното пространство намалява, налягането и температурата на работното вещество се повишават, в резултат на което в края на сгъстяването се създават благоприятни условия за възпламеняване и изгаряне на горивото. За тази цел началото на подаване на горивото (в дизеловите двигатели) или искра (в карбураторните двигатели) трябва да започне преди ГМТ, т. е. с определен ъгъл на изпреварване - от 10 до 35 градуса.
По такъв начин по време на втория такт в цилиндъра протича главно сгъстяване на работното вещество. Освен това в началото на такта продължава да постъпва в цилиндъра прясно работно вещество, а в края на същия такт започва процесът горене.
Трети такт - процес горене и разширение. Този процес протича при движение на буталото от ГМТ до ДМТ. В резултат на топлината, която се отделя при изгарянето на горивото, температурата и налягането на работното вещество се повишават значително. Под действието на високото налягане буталото се премества към ДМТ, а продуктите на горенето се разширяват, вследствие на което се получава полезна работа. Ето защо този ход на буталото се нарича работен ход.
Четвърти такт - процес изпускане. По време на този такт буталото се движи от ДМТ към ГМТ като изтласква газовете от цилиндъра на двигателя през изпускателния клапан. За да се намали работата за изтласкване на газовете, а също и да се подобри очистването на цилиндъра, изпускателният клапан се отваря на около 40-70 градуса преди ДМТ. За подобряване очистването на цилиндъра от газовете същият клапан се затваря от 10 до 35 градуса след ГМТ.
Двутактов двигател
В двутактовите двигатели работният цикъл се извършва за два такта или за два хода на буталото, т.е. за едно завъртане на коляновия вал. За да се очисти цилиндърът по-добре от продуктите на горенето и да се запълни с прясно работно вещество, то предварително трябва да се сгъсти до определено налягане в специален агрегат (компресор) или в картера на двигателя.
Действителният цикъл на двутактовите двигатели се извършва по следния начин.
Първи такт. Този такт се осъществява при движение на буталото от ГМТ (горна мъртва точка) до ДМТ (долна мъртва точка). През това време в цилиндъра се извършва изгаряне на горивото и разширение на продуктите на горенето, т.е. осъществява се работният ход на буталото. В края на разширението се отварят изпускателните отвори и започва свободно изтичане на газове от цилиндъра. Тогава, когато налягането в цилиндъра стане приблизително равно на налягането на прясното работно вещество, продухвателните отвори се отварят. Прясното работно вещество, което постъпва в цилиндъра през продухвателните отвори, изтласква продуктите на горенето през изпускателните органи и запълва цилиндъра.
По такъв начин по време на първия такт в цилиндъра протичат процесите: горене, разширение, изпускане на газове, продухване и пълнене на цилиндъра с прясно работно вещество.
Втори такт. Този такт се осъществява при движение на буталото от ДМТ до ГМТ. През това време продължава процесът на очистване на цилиндъра от продуктите на горенето и запълването му с прясно работно вещество. След затваряне на газообменните отвори протича процесът на сгъстяване на работното вещество. В края на сгъстяването преди ГМТ в цилиндъра се подава гориво (в дизеловите двигатели) или искра (в карбураторните двигатели).
Ясно е, че по време на вторият такт (при движение на буталото към ГМТ) в цилиндъра протичат процесите: изтичане на газове, продухване, пълнене, сгъстяване и начало на горенето.
Роторен двигател
При роторния двигател, буталото представлява тристранна призма, а вътрешната повърхност на корпуса, в който се намира то, е епитрохоида. При своето въртене, буталото образува три камери, чиито обеми са постоянно изменящи се, като във всяка от тях се извършват процесите всмукване, сгъстяване, разширение и изпускане. Този вид двигател с вътрешно горене постига високи обороти при сравнително малки инерционни сили, малки размери и малка маса при относително висока мощност, но за сметка на това трудно се постига добро уплътнение на буталото и топлинното натоварване на корпуса е неравномерно. Роторният двигател излъчва по-малко вредни емисии в сравнение с обикновените двигатели, заради по пълното изгаряне на горивната смес.
Двигател с непрекъснато горене
Двигагелите с непрекъснато горене са два основни типа – газотурбинни и реактивни.
Газовите турбини са роторни машини, подобни по начина си на действие на парните турбини, и се състоят от три основни части – компресор, горивна камера и турбина. Въздухът последователно се нагнетява от компресора и се загрява от изгаряното гориво. Около две трети от нагретият въздух, заедно с газовете от изгарянето на гориво, се използва за задвижване на компресора, а останалата една трета - за извличане на полезна енергия.
Реактивните двигатели засмукват голям обем горещи газове от процеса на горене (най-често в газова турбина) и ги изхвърлят през сопло, като по този начин значително увеличават скоростта им. Ускорението на газовата струя през соплото изтласква двигателя в противоположна посока, извършвайки полезна работа.
Не по-малко сложни проблеми поставя динамиката на самия двигател - при периодичното движение на бутало-мотовилковата група нагоре-надолу се генерират мощни инерционни сили, които биха разрушили двигателя, ако не се уравновесят. Днес тези проблеми и теоретично, и практически са напълно задоволително решени, но как става това?
Нека да си спомним, че двигателят на Карл Бенц е бил едноцилиндров, След това Вилхелм Майбах нарежда още 3 цилиндъра и прави 4-цилиндров двигател. Какъв е този стремеж още в зората на двигателостроенето да се правят двигателите не едноцилиндрови, а многоцилиндрови? Причините трябва да се търсят както в термодинамиката, така и в класическата, или още Нютонова механика.
Да започнем с топлината. Например 50 к.с. можем да получим от едноцилиндров двигател с работен обем 1000 см3 или от 4-цилиндров със същия работен обем, но разпределен в 4 цилиндъра, всеки от по 250 см3. От топлинна гледна точка, колкото по-малък е цилиндърът, толкова по-добре може да се охлажда, температурните напрежения в него са много по-малки.
От гледна точка на динамиката предимствата са повече от очевидни: инерционните сили от I и II порядък са съответно 4 и 16 пъти по-малки, а това веднага осигурява лесно уравновесяване на възвратно движещите се части на двигателя.
1 img.jpg 2,56K
228 Брой сваляния
През последните години голямо разпространение имат малките З-цилиндрови двигатели, типичен представител на които е двигателят на популярния у нас в миналото Daewoo Tico. При него неуравновесени са моментите от инерционните сили от I порядък, които принуждават двигателя да "галопира" - предната и задната част непрекъснато да се стремят да се издигнат над надлъжната ос. Решението на този проблем е просто и елегантно. Втори вал с масата на възвратно движещите се части на коляновия вал се върти със същата честота, но в обратна посока и създава сили и моменти, които уравновесяват двигателя. А какво е положението при най-разпространените в Европа и Азия двигатели - 4-цилиндровите редови? При тях неуравновесени остават само инерционните сили от II порядък, които частично могат да се уравновесят с противотежести, но най-елегантното решение си остава вторият вал, който трябва да се върти в обратна посока, и то с 2 пъти по-голяма честота. Много световни производители на леки автомобили са възприели именно това решение за техните 4-цилиндрови двигатели.
5-цилиндровия редови двигател не е много често срещан в автомобилната индустрия. През последните 20 години, само Audi (2.2 и 2.3-литров), Honda (Acura TL), Volvo (2.0-литров, 2.3 Turbo и 2.4-литров), Fiat Group (2.0 и 2.4-литров серия Super Fire) и Mercedes (дизел) предлагат такива двигатели. Въпреки това, петцилиндровия редови двигател (или познат като I5 (inline 5 cylinder) ) има своите предимства. Първо, той запълва празнината между 4 и 6-цилиндровите двигатели, като може да предложи най-добрия работен обем за оптимална ефективност; На второ място, сравнен с 4-цилиндровите двигатели се спестява един балансиращ вал; Трето, сравнен с 6-цилиндрови двигатели, той е достатъчно къс за да се монтира напречно в двигателния отсек на автомобили с предни задвижващи колела. На последно място, той може да бъде получен от модулна конструкция, състояща се от 4 и 6-цилиндрови редови двигатели, като това не само спестява разходите за развитие, но също така и премахва инвестирането в нова производствена линия.
Математически анализ доказа, че поради реда на запалване двигателя се балансира по реда на цилиндрите. Поради това той не се нуждае от два балансиращи вала като голям 4-цилиндров двигател. Въпреки това, той генерира от край до край вибрации като 3-цилиндров двигател, тъй като бутало 1 не е в същото положение като бутало 5, и бутало 2 не е в същото положение като бутало 4. Затова двете страни на двигателя вибрират нагоре и надолу по отношение на центъра на двигателя.
Очевидно е, че решението е същото като при 3 цилиндровите двигатели, при които се използва балансиращ вал, по който има противотежести движещи се в посока, обратна на буталата. Балансиращия вал се задвижва от двигателя със същата скорост като коляновия вал.
Това достатъчно ли е да се направи 5-цилиндровия двигател да работи толкова гладко, колкото 6-цилиндров? Не. По обективни причини, балансиращия вал не може да бъде в най-оптималната позиция така че да е точно над или под коляновия вал, в резултат на това няма как да се отстранят напълно вибрациите.
От гледна точка на динамиката 6-цилиндровият редови двигател е идеалният. При него всички сили и моменти от I и II порядък напълно се самоуравновесяват. Недостатъкът му е, че е доста дълъг и трудно му се намира място в моторния отсек, когато двигателят е разположен напречно. И ако по тази причина редовата "шестица" до известна степен е загубила терен при леките автомобили, при дизеловите двигатели за товарни автомобили и автобуси тя е почти абсолютен лидер. В Европа и Азия над 90% от мощните дизелови двигатели за тежкотоварни автомобили и автобуси са именно редови 6-цилиндрови. Тук също има едно сравнително ново и много елегантно решение - 5-цилиндровият двигател. На пръв поглед нещата са абсурдни - тактовете между отделните цилиндри са нестандартни - 72 градуса, но равномерността на работата му е по-добра, отколкото на 4-цилиндровия, а заема по-малко място от 6-цилиндровия. Проблемът с
8-, 10- и 12-цилиндровите редови или линейни двигатели
е много сложен. За първи път те се появяват през Първата световна война като самолетни мотори с изключително големи предимства пред масово използваните по онова време в авиацията звездообразни двигатели. Редовият двигател е тесен и челното му аеродинамично съпротивление е от 3 до 6 пъти по-малко от това на звездообразния, което осигурява на самолета със 100 - 200 км/ч по-висока скорост от тази на звездообразния му аналог. Възниква обаче един изключително сложен проблем - дължината на коляновия вал на двигателя. При 8 и повече цилиндъра честотите на собствените трептения на вала и на тези, възбудени при периодичното му усукване при всеки работен такт, влизат в резонанс, от което следва нещо катастрофално - счупване на коляновия вал. Конструкторите и производителите на самолетни двигатели са ужасени, но в света няма инженерна задача, която да не може да бъде решена, при това - достатъчно елегантно. Почти едновременно във всички воюващи страни се появяват
V-образните двигатели.
2 img.jpg 3,05K
227 Брой сваляния
Колко е просто да разделиш цилиндрите на 2 (а понякога и на 4), да ги поставиш един до друг и да получиш къс, много къс колянов вал, който не се бои от никакви усукващи трептения. Започва ерата на V-образните двигатели, първо в самолетостроенето, а след това и в автомобилостроенето. При V-образните дви-гатели е много важно какъв ъгъл сключват помежду си двата реда цилиндри, защото от него зависи самоуравновесяването. Не е трудно да се пресметне, че при 6-цилиндров двигател този ъгъл трябва да е 60°, при 8-цилиндров - 90 или 180°, а при 12-цилиндров - пак 60°. При 6-цилиндровия V-образен двигател има неуравновесена инерционна сила от II порядък, която частично може да бъде уравновесена с противотежести. Въпреки този недостатък, този тип двигатели има много широко разпространение, защото те са много къси и лесно могат да се поставят напречно в автомобила, докато за 6-цилиндровите редови не винаги се намира достатъчно място. Допреди 30 години широко разпространение имаха двигателите със срещулежащи цилиндри, наричани още "боксер". При Volkswagen и Citroen те бяха с въздушно охлаждане, при Alfa Romeo - с течно. Широкото използване на тези двигатели се диктуваше от малката им височина, което създаваше големи удобства за конструктора, отговарящ за общата компановка, при разполагането на двигателя в автомобила.
Боксерен двигател
3 img.jpg 3,38K
222 Брой сваляния
http://upload.wikime...ns/7/77/Box.gif
Схема на работа на боксерен двигател с бутала, захванати за отделни шийки на коляновия вал
Боксерният двигател, патентован от Карл Бенц
Боксерният двигател е двигател с вътрешно горене, с два цилиндрови блока, които са разположени хоризонтално един срещу друг. Германският инженер Карл Бенц патентова своята разработка на първия двигател с вътрешно горене с хоризонтални срещуположно разположени бутала през 1896 г.
Съществуват две конфигурации на боксерния двигател:
две срещуположни бутала са захванати за една и съща шийка на коляновия вал. Тази конфигурация е известна и като V-образен двигател с ъгъл между блоковете от 180°;
две срещуположни бутала са захванати за отделни шийки на коляновия вал - буталата достигат горна мъртва точка през половин оборот на коляновия вал (на схемата горе вдясно).
Предимства и недостатъци
Боксерните двигатели са по-компактни от редовите и имат по-нисък център на тежестта от всяка друга конфигурация. Затова и автомобилите и мотоциклетите, задвижвани от боксерни двигатели, имат като цяло по-ниско разположен център на тежестта, което води до по-добра стабилност и управляемост. Недостатък на боксера обаче е неговата по-голяма широчина и по-високите разходи за неговото производство. Голямата широчина създава проблеми при вграждането на този двигател под предния капак на автомобила, защото мястото е ограничено поради завиването на предните колела, а при мотоциклетите създава проблеми в завой.
Друга положителна черта на боксерния двигател е неговият добър баланс. Той е резултат от срещуположното движение на буталата, при което силите и инерционните им моменти взаимно се неутрализират. 4-цилиндровият боксерен двигател, заедно с редовият 6-цилиндров, V12 и ванкеловият двигател, са единствените мотори, които могат да работят равномерно с четиритактовия цикъл без да се нуждаят от балансиращи валове или противотежести на коляновия вал за неутрализиране на инерциите на възвратно-постъпателно движещите се части.
Боксерният двигател е по-шумен от редовите и V-образните, защото шумът от отварянето и затварянето на клапаните не се заглушава достатъчно, поради по-отдалеченото разположение на иначе покриващите ги въздушен филтър и други компоненти. Боксерът създава и по-големи торсионни вибрации, поради което се нуждае от по-голям маховик, но затова пък имат по-плавна работа в целия диапазон на обороти.
Приложение в автомобилите
Боксерният двигател е подходящ за въздушно охлаждане, поради по-голямата си повърхност. Такива мотори са използвани например във Фолксваген Beetle, Порше 356 и Порше 912 - всички те с по четири цилиндъра. Порше 911 използва 6-цилиндров боксерен двигател, който в по-ранните модели е с въздушно, а в по-късните - с водно охлаждане. Във всички тези автомобили двигателят е разположен отзад, отсъствието на радиатори за охлаждане опростява конструкцията и понижава масата на автомобила като цяло.
Предно-разположен боксерен двигател използват автомобили като Ситроен 2CV, някои модели на Алфа Ромео и Субару.
W - образните двигатели
LionEngine.jpg 53,83K
227 Брой свалянияW- образен двигател
W-образен дванадесет-цилиндров двигател - двигател с вътрешно горене с W-образна подредба на дванадесет-цилиндров три реда от по четири, и бутала въртящи общ колянов вал. Този двигател има 12 цилиндъра и е по-W12. Смята се, че W-образен оформлението на цилиндрите е разработен от инженери загриженост Folkskvagen.
При сравнение на 12-цилиндров V мотор и 12-цилиндров W-тип двигател със същия обем обем става ясно, че последната е много по-малък. Освен това, 12-цилиндров W-образен двигател компактен 8-цилиндров V-двигател.
Предимства на W-образен оформлението са компактни размери, което спестява пространство в колата двигателното отделение, пространството може да се използва за инсталиране на допълнителни приложения (хидроусилвател на кормило, климатик компресор, компресор, турбина и т.н.) Също така, при еднакви увеличения компактност Мощност и въртящ момент в сравнение с V-образен двигател тип. По-гъста разположение на цилиндрите спрямо друга може да спести материали от строителството. Недостатъци на W-тип двигател затворен в гъста разположение на цилиндрите спрямо друга, съответно, е необходимо за подобряване на системата за охлаждане. В W-образен охлаждане на двигателя при условие всеки цилиндър.
Звездообразни двигатели
http://upload.wikime...iming-small.gif
При тях цилиндрите им са разположени под формата на звезда около къс централен колянов вал, за който е захваната една основна мотовилка, а към нея - останалите. Характерно за звездообразните двигатели е, че при тях броят на цилиндрите е винаги нечетен - 3, 5, 7 или 9. Звездата може да бъде двойна, т.е. да имаме два звездообразни двигателя, поставени един зад друг на общ колянов вал. Един англичанин, чието име историята е забравила, все пак се разписва в нея, като създава през 20-те години автомобил, задвижван от звездообразен двигател.