Сравнение четырехтактных и двухтактных двигателей.

Наибольшее распространение на автомобилях получили четырехтактные двигатели как более совершенные по сравнению с двухтактными. Если сопоставить эти двигатели, то двухтактные имеют следующие преимущества: проще по устройству вследствие отсутствия клапанов с их приводами; в них меньше число подготовительных ходов, а следовательно, вал вращается более - равномерно, так как на каждый оборот коленчатого вала приходится рабочий ход; при одинаковых частотах вращения коленчатых валов и равенстве других параметров двухтактные двигатели теоретически должны развивать мощность вдвое большую, чем четырехтактные,

Однако мощность возрастает лишь на 60 - 65%, так как двухтактные двигатели имеют следующие недостатки: часть горючей смеси теряется через выпускные окна при продувке цилиндра, что вызывает перерасход топлива и снижает экономичность двигателя;

наличие выпускных и продувочных окон уменьшает рабочий ход поршня;

плохая очистка цилиндра от отработавших газов, в результате чего ухудшается его наполнение горючей смесью. Поэтому двухтактные двигатели с кривошипно - камерной продувкой на автомобилях не применяют, а используют, как правило, на мотоциклах или в качестве пусковых двигателей на тракторах.

Сравнивая дизели и карбюраторные двигатели, можно отметить следующие преимущества дизелей:

лучшая экономичность, так как меньше расход топлива на единицу мощности (примерно на 30 %);

применяемое топливо имеет меньшую стоимость и менее опасно в пожарном отношении, чем бензин;

в отработавших газах содержится меньше токсических веществ;

дизельное топливо оказывает меньшее коррозионное действие на детали двигателя;

больше крутящий момент и лучше приёмистость автомобиля при малой частоте вращения коленчатого вала;

отсутствие системы зажигания снижает вероятность отказа двигателя.

Однако дизельные двигатели имеют и недостатки:

труднее пускаются в зимнее время;

меньшая литровая мощность, по сравнению с карбюраторными;

больший уровень шума при работе по сравнению с карбюраторными.

Наддув в двигателях.

Рабочим телом в двигателях является воздух, топливо поступающее в цилиндры двигателей служит только для нагрева воздуха. Следовательно для увеличения мощности двигателя необходимо в двигатель подавать большее количество воздуха. Увеличение количества подаваемого в двигатель воздуха достигается или увеличением количества оборотов двигателя, или увеличением его рабочего объёма. увеличение степени сжатия так же вызывает рост мощности, так как увеличивается степень последующего расширения расширяющихся газов.

Для повышения литровой мощности в двигателях используют наддув, т. е. воздух в цилиндры подают с помощью компрессора под давлением на 100 – 260 кПа, превышающим атмосферное. Так как увеличивается масса воздуха, поступающего в каждый цилиндр, можно увеличить и количество впрыскиваемого топлива. В этом случае при тех же размерах двигателя, частоте вращения коленчатого вала и числе цилиндров мощность его значительно возрастает. Наддувные двигатели из – за роста давления конца такта сжатия имеют меньшие чем их атмосферные аналоги геометрическую степень сжатия, для избежания детонационной работы на основных режимах.

В наддувных двигателях для привода компрессора используется энергия отработавших газов (турбонаддув), (рис.2.4. а) т. е. полезная мощность для этих целей не расходуется, и экономичность двигателя повышается. Кроме того, используются компрессоры с приводом от коленчатого вала двигателя (механический наддув) (рис. 2.4. б), или компрессоры с комбинированным приводом, использующие и энергию отработавших газов и энергию снимаемую с коленчатого вала, и а также волновые обменники (рис. 2.4. в).

Для осуществления наддува применяют турбокомпрессор (рис. 2.4. а), который состоит из двух колес с лопатками — центростремительной радиальной турбины 4 и одноступенчатого компрессора 2 (центробежного нагнетателя), установленных на одном валу. Турбо­компрессор работает следующим образом. При открытом выпускном клапане поршень, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из цилиндра в газоотводящий патрубок. Газы с большой скоростью поступают через сопловой аппарат на лопатки турбины и раскручивают турбину и компрессор, связанные общим валом. В результате увеличивается давление и температура свежего заряда. Увеличение температуры свежего заряда приводит к снижению его плотности, что неблагоприятно сказывается на наполнении и следовательно на мощности двигателя. Поэтому на многих двигателях устанавливают промежуточное охлаждение свежего заряда (intercooler). Для этого после компрессора свежий заряд направляется в специальный «воздухо – воздушный радиатор», установленный рядом с радиатором системы охлаждения.

Давление наддува всегда ограничивают максимальной вели­чиной порядка 100 - 250 кПа из - за опасности повреждения дета­лей двигателя. С этой целью на турбокомпрессоре устанавливают клапан, открывающий дополнительный канал и перепускающий часть выхлопных газов мимо турбины на выхлоп в случае превышения максимального давления наддува. Помимо этого, перепускной клапан обеспечивает устойчивую работу двигателя с турбокомпрессором на, режимах больших нагрузок и частот вращения.

При отсутствии регулирования турбокомпрессора с помощью перепуска газов мимо турбины (или каким-либо другим способом) частота вращения ротора и давление наддува растут вместе с частотой вращения коленчатого вала и нагрузкой. Однако расход воздуха через двигатель и, соответственно, через компрессор, растет медленнее, в результате чего увеличивается угол набегания (так называемый угол атаки) воздуха на входные кромки лопаток компрессоре. Если угол атаки будет слишком большим, то возможен отрыв потока воздуха от входных кромок лопаток. При этом, зона отрыва быстро занимает все проходное сече­ние межлопаточных каналов компрессора, и фактически "запирает" его, Без поступления воздуха двигатель (резко сбав­ляет частоту вращения - возникает характерный "провал" мощности. Одновременно с этим уменьшается частота, вращения турбины, и через несколько секунд нормальный режим работы двигателя и компрессора восстанавливается, Затем снова следует срыв и т.д.

Это явление получило название "помпаж компрессора". Чтобы его исключить, требуется, либо увеличить расход воздуха через компрессор на больших частотах вращения ротора (например, перепуском воздуха за компрессором в атмосферу) или уменьшить частоту вращения ротора за счет снижения расхода газов через турбину (например, перепуском выхлопных газов мимо турбины с помощью клапана 3, 7 рис. 2.4.). У подавляющего большинства автомобильных двигателей используется второй способ.

Несмотря на кажущуюся простоту, турбокомпрессор является очень сложным агрегатом в ремонте и эксплуатации. Работа двигателей с турбонаддувом предполагает использование масел высокого качества с пологой характеристикой вязкости по температуре. Этим требованиям удовлетворяют современные синтетические масла. Выход из строя турбокомпрессора обычно связан с неправильной эксплуатацией, когда масло низкого качества коксуется в турбокомпрессоре, закрывая отверстия для смазки подшипников, что приводит к задирам, повреждениям, ускоренному износу подшипников.

При использовании приводного компрессора (рис. 2.4, б) его через повышающую передачу 5 соединяют с коленчатым валом двигателя.

Приводной нагнетатель (рис. 2.4. б) получил некоторое распространение в последние годы на автомобилях с двигателями относительно большого объема (более 3,5 - 3,8 л). Нагнетатель приводится поликлиновым ремнем от коленчатого вала и работает на частотах вращения, несколько больших, чем у самого двигателя. Нагнетатель содержит прецизионные и достаточно дорогие детали. Речь идет прежде всего о рабочих колесах или роторах нагнетателя, которые имеют сложный винтовой профиль. Кроме того, этот профиль должен обеспечивать малый зазор в зацеплении роторов, иначе КПД нагнетателя и давление наддува будут низкими. Роторы нагнетателя вращаются в закрытых подшипниках качения, не касаясь друг друга и корпусов, при этом синхронизация их вращения обеспечивается парой зубчатых колес.

В эксплуатации приводной нагнетатель проще, у него меньше запаздывание роста давления, но на его привод отбирается мощность с коленчатого вала двигателя, и при некачественной очистке воздуха или при износе подшипников боковые поверхности роторов также быстро изнашиваются и возникает шум при работе. Основные детали такого нагнетателя ремонту не подлежат (имеются в виду роторы), поскольку профиль их зубьев и впадин не обрабатывается из-за сложности, однако изношенные подшипники могут быть заменены.

В отличие от приводного нагнетателя, где сжатие воздуха осуществляется при вращении рабочих колес, волновой обменник давления, (рис. 2.4. в) (COMPREX) использует другой принцип. По­вышение давления на впуске осуществляется за счет взаимодействия волн давления и разрежения, распространяющихся по каналам вращающегося ротора. При этом синхронное с коленчатым валом вращение ротора обеспечивает повышение давления во впускном трубопроводе именно того цилиндра, где начинается впуск.

Волновые обменники известны давно, но не получили пока широкого распространения вследствие сложности конструкции ротора, а также трудоемкости доводки системы, однако на некоторых автомобилях все же ставятся серийно (MAZDA). Их особенностью является более высокий наддув по сравнению с другими типами компрессоров, поэтому требуется существенное упрочнение отдельных деталей двигателя – поршней, поршневых пальцев, шатунов и др. Этот тип наддува сочетает в себе достоинства турбонагнетателя — малые габариты, и нагнетателя с механическим приводом — пологую кривую крутящего момента с максимумом на низких частотах вращения и быструю реакцию на изменение частоты вращения. Возможно, что в будущем приводные нагнетатели и системы COMPREX будут применяться более широко.

В случае комбинированной системы (рис. 2.5.) первой ступенью является приводной компрессор, а второй - турбокомпрессор.

Температура воздуха после компрессора вследствие сжатия повышается. При увеличении мощности двигателя наддувом, между впускной системой двигателя и компрессором иногда размещают холодильник для понижения температуры заряда. Использование промежуточного охлаждения существенно снижает при заданном уровне форсирования тепловую напряженность ответственных деталей двигателя.

При наддуве карбюраторных двигателей компрессор можно устанавливать до и после карбюратора. В случае размещения компрессора до карбюратора особое внимание следует уделять уплотнению поплавковой камеры. Когда компрессор устанавливают за карбюратором, необходимо принять меры, исключающие возможность забрасывания газов в компрессор при обратных вспышках во впускной системе. С этой целью в магистрали после компрессора размещают пре дохранительные клапаны.

Наибольшее применение для наддува получили лопаточно-центробежные компрессоры (рис 2.4. а), конструкции аналогичные изображенной на рис. 2.5 применяются на двигателях семейства ЯМЗ, КамАЗ - 7403, автомобилях BMW 7 - серии, Volvo - 940 и т.д.

В двигателях с турбо наддувом для привода компрессора используется энергия отработавших газов, т. е. полезная мощность для этих целей не расходуется, и экономичность двигателя повышается. Кроме того, наддув дизелей способствует уменьшению содержания токсических веществ в отработавших газах.

Основная трудность использования турбо - наддува на автомобиле состоит в том, что при отсутствии механической связи между валом турбокомпрессора и валом двигателя возможно возникновение временного несоответствия между необходимой для двигателя подачей воздуха и производительностью компрессора. Так, например, после отпускания акселератора частота вращения турбокомпрессора снижается и при последующем нажатии на акселератор двигатель может развить необходимую мощность с запаздыванием, после того как частота вращения турбокомпрессора снова возрастёт в достаточной степени.

Кроме, того турбо нагнетатель обладает низкой эффективностью на малых оборотах, т.к. количество отработавших газов недостаточно для раскрутки турбины. В следствии этого давление наддува снижается. На грузовых автомобилях IVECO, в настоящее время получают распространение турбины с изменяемой геометрией, управляемые электроникой. В них турбинное колесо может по команде электроники с помощью электро - пневмопривода перемещаться вдоль оси, меняя проходное сечение турбины, а в итоге и скорость потока отработавших газов, поступающих на лопатки турбины. На малых оборотах проходное сечение уменьшается, обороты же ротора турбины остаются постоянными, как и давление наддува. При этом двигатель рано выходит на режим максимального крутящего момента, что делает его хорошо приспособляемым к изменению условий движения