Производство  ->  Машиностроение  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания в современном мире

В настоящее время существует множество тепловых двигателей. Самыми часто используемыми являются паровые турбины, а также двигатели внутреннего сгорания.

Паровая турбина широко используется в различной технике. Специфика паровых турбин в том, что в них пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. КПД паровых турбин составляет 30%.

Наибольшее распространение получил двигатель внутреннего сгорания.

В современной технике двигатель внутреннего сгорания получил широкое распространение: на транспорте — сухопутном (на автомобилях и тепловозах), водном (на теплоходах), воздушном (на пассажирских самолетах и вертолетах), в сельском хозяйстве, в военном деле, вследствие своей неприхотливости и надежности.

Достоинство ДВС также небольшие размеры и простое устройство – сгорание топлива происходит внутри самого двигателя, поэтому не требуется огромная и сложная по строению котельная установка, которая используется в конструкции паровых турбин.

КПД двигателя внутреннего сгорания больше, чем у паровых турбин – 30 – 50%. Двигатель внутреннего сгорания используется в конструкции 89% городского транспорта и имеет большую популярность.

Во всем мире человек стремится к движению, скорости и экстремальным ощущениям. Для этого в некоторых местах организуются спортивные соревнования. Автомобили, которые участвуют в официальных спортивных мероприятиях, имеют разные конструкции: как стандартные, так и модернизированные.

Но как же устроен двигатель спортивного автомобиля? Что позволяет увеличить мощность двигателя и скорость автомобиля?

Перед нами возникла проблема:

Как увеличить мощность двигателя МеМЗ-245, который мы установили на автомобиль «ЗАЗ 968м», используемый в спортивных соревнованиях по автокроссу.

Для решения проблемы мы поставили перед собой задачу:

Изучить методы увеличения мощности спортивного двигателя и испытать его на практике.

Объект исследования: 4-цилиндровый, карбюраторный двигатель МеМЗ-245 1995года выпуска.

Методы исследования: поисково-исследовательский, аналитический, сравнительный анализ.

История появления ДВС

Первый двигатель внутреннего сгорания появился в 1860г. Его конструктором стал французский изобретатель Этьен Ленуар (1822 – 1900). Двигатель получил некоторое промышленное применение. Его мощность составляла 12 л. с. Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с зажиганием от постороннего источника.

В 60-х г. XIX в. немецкий изобретатель Н. Отто и инженер Ланген построили более совершенный ДВС. Н. Отто не получил никакого систематического образования, был некоторое время мелким коммивояжером по продаже бакалейных товаров. В начале 1860-х годов заинтересовался 2-тактными двигателями Ленуара и привлек к финансированию своих проектов видного промышленника Лангена. При его поддержке Отто соорудил пригодный для использования двигатель, имевший КПД 22 %, и получил Золотую медаль на Парижской выставке 1867. Отто продолжал совершенствовать образцы и в 1876 создал 4-тактный газовый двигатель с синхронизацией впрыска и сгорания топлива. На двигатель такого типа был ранее получен патент французом А. Бо де Роша, но Отто первому удалось не только начертить двигатель на бумаге, но и построить его. В течение последующих десяти лет было продано свыше 30 тысяч таких двигателей.

Первая в мире газо-турбинная установка была построена русским инженером П. Д. Кузьминским в конце XIX века. Однако практическое использование газовых турбин стало возможным лишь в сравнительно недавнее время, после того как были найдены специальные жароупорные сплавы для их изготовления, которые не теряют прочности при высоких температурах.

Виды и технические параметры ДВС.

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые двигатели, в которых используется работа расширения газообразных продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива.

По своему устройству ДВС разделяются на поршневые, турбинные и реактивные.

В конструктивном отношении поршневой ДВС очень похож на паровую машину: у него также имеется цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, маховик и некоторые другие части, характерные для паровой машины. Однако в ДВС два процесса — сжигание топлива и превращение его внутренней энергии в механическую энергию оказалось возможным объединить в цилиндре, благодаря чему отпала необходимость в громоздкой и тяжелой котельной установке.

К турбинным ДВС относится газовая турбина, предшественником которой является паровая турбина.

К ДВС также относится реактивный двигатель. Реактивный двигатель (двигатель прямой реакции) – двигатель, тяга которого создается реакцией вытекающего из него рабочего тела. Реактивные двигатели используются в воздушной технике.

Реактивные двигатели разделяются на три вида:

1) прямоточные воздушно-реактивные двигатели;

2) турбореактивные двигатели;

3) турбовинтовые двигатели.

По способу образования горючей смеси (из топлива и воздуха) ДВС разделяются на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

К двигателям с внешним смесеобразованием относятся, в частности, карбюраторные ДВС, в которых горючая смесь образуется вне цилиндра, в карбюраторе. В большинстве двигателей этого типа зажигание смеси производится электрической искрой. Такие двигатели требовательны к качеству топлива.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся дизели, в которых горючая смесь образуется непосредственно в самом цилиндре. В дизеле топливо воспламеняется от высокой температуры сильно сжатого воздуха. В качестве горючего используются недорогие нефть, соляровое масло. Такое топливо имеет существенные недостатки – неэкономично расходуется, выделяет малое количество энергии и большое посторонних токсичных веществ, за счет чего уменьшается КПД и увеличивается вероятность поломки двигателя или выхлопной системы.

Каждый двигатель внутреннего сгорания имеет характерные свойства – мощность, л. с. ; крутящий момент, НМ; расход топлива, который показывает, сколько в среднем (при постоянной средней скорости автомобиля) литров горючего израсходуется при преодолении 100 км. ; рабочий объем, см3; количество цилиндров.

Мощность двигателя является самым главным техническим показателем, выражающим работу по перемещению тела, совершаемую двигателем за единицу времени. Мощность измеряется в лошадиных силах. Лошадиная сила – единица мощности, равная 735,5 Вт. Возникает вопрос, почему для измерения мощности двигателя потребовалось ввести новую физическую величину.

Один английский пивовар (имя, которого не установлено) установил у себя паровую машину, чтобы качать воду. Он не знал на сколько она мощнее лошади, которая прежде приводила в движении насос. Он решил проверить, сколько воды с помощью одной лошади насос может накачать за одну секунду в бак на высоте одного фунта (0,33 м. ). Получилось 470 фунтов воды (213 кг. ). Вот эту работу, произведенную за секунду, он назвал мощностью в одну лошадиную силу. Таким образом, пивовар подсчитал, сколько воды сколько воды поднимает за секунду на 1 фут его паровая машина, т. е. определил её мощность в лошадиных силах. С тех пор «лошадиная сила» стала единицей мощности, в том числе и для ДВС. Но в последние десятилетия мощность определяют в ватах (Вт). Лишь мощность двигателя до сих пор измеряется в лошадиных силах:

1 л. с. /1. 36 = 1кВт.

1. 3. Устройство двигателя внутреннего сгорания.

Интересно устройство различных двигателей внутреннего сгорания: все процессы, происходящие в цилиндре всех ДВС, периодически повторяются. Совокупность этих процессов называется рабочим циклом, а каждый из них — тактом. Если цикл состоит из четырех тактов, двигатель называется четырехтактным, если из двух — двухтактным.

И карбюраторные двигатели и дизели могут быть как четырехтактными, так и двухтактными. Рассмотрим строение четырехтактного карбюраторного двигателя .

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединенный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы. Дизельный двигатель имеет подобное строение, только через клапан 1 в цилиндр поступает не горючая смесь, а воздух. Также в дизеле нет запальной свечи, в место неё используется форсунка, служащая для постепенного впрыска топлива.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 600—800 °С. Давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Рабочий цикл ДВС является разомкнутым, так как масса рабочего тела в цилиндре в течение цикла меняется, а в его конце полностью обновляется.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного ДВС состоит из следующих тактов:

1. Впуск. Из верхней мертвой точки поршень движется вниз, засасывая из карбюратора в цилиндр через впускной клапан (1) горючую смесь — воздух, насыщенный парами бензина.

2. Сжатие. Достигнув нижней мертвой точки, поршень движется вверх при закрытых клапанах, впускном и выпускном, сжимая горючую смесь. От сжатия температура смеси сильно возрастает, что необходимо для быстрого сгорания топлива. (При медленном горении топлива работа ДВС и его КПД будут малыми).

3. Рабочий ход. В самом начале обратного хода поршня вниз между электродами свечи, расположенными в верхней части цилиндра, проскакивает искра, воспламеняющая горючую смесь. Температура и давление продуктов сгорания мгновенно возрастают, они расширяются, толкая поршень вниз и совершая работу.

4. Выпуск. Когда поршень достигает нижнего положения, кулачок распределительного вала открывает выпускной клапан (2) и отработавшие газы выходят через него из цилиндра наружу. Обратным ходом вверх поршень вытесняет из цилиндра остатки газов. Далее цикл повторяется.

Аналогично устроен и дизельный двигатель. Однако его конструкция имеет существенное отличие. В дизеле нет специальных приспособлений для зажигания горючей смеси — запальной свечи, источника тока. Горючая смесь образуется внутри цилиндра дизеля, в который с помощью форсунки впрыскивается распыленное жидкое топливо, смешивающееся здесь с раскаленным воздухом. По мере поступления в цилиндр топлива оно самовоспламеняется и постепенно без взрыва сгорает. Топливо впрыскивается в цилиндр дизеля сжатым воздухом, полученным с помощью компрессора, или небольшим «топливным насосом» под высоким давлением.

Двухтактный ДВС имеет бóльшую мощность, приходящеюся на единицу объема цилиндра, имеет меньший вес, работает более равномерно, так как один рабочий такт приходится не на два, а на один оборот вала.

Для осуществления рабочего цикла в карбюраторном двухтактном двигателе внутреннего сгорания используется нижняя часть 3 его корпуса, называемая картером. В течение каждого хода поршня в цилиндре и картере происходит одновременно несколько процессов.

Во время хода поршня вверх в цилиндре происходит сжатие горючей смеси. Поршень своим корпусом заслоняет каналы 1, 2, 4, В конце хода открывается канал 2 и через него в картер поступает горючая смесь.

Далее поршень идет вниз. В начале хода горючая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи 5. Одновременно в картере горючая смесь сжимается поршнем . В конце хода открываются каналы 1 и 4. Горючая смесь из картера через канал 1 устремляется в цилиндр и заполняет его, выталкивая из цилиндра наружу через канал 4 продукты сгорания. Затем цикл повторяется.

Двухтактные карбюраторные ДВС применяются на мотоциклах, моторных лодках, кинопередвижках и других машинах, где не требуется большой мощности.

Сопоставляя карбюраторные ДВС и дизели, следует отметить, что первые компактны, имеют сравнительно малый вес и потому используются там, где требуется небольшая мощность и легкость силовой установки,— на всех автомобилях, кроме тяжелых грузовиков, на мотоциклах и т. д. Однако карбюраторные ДВС в качестве топлива используют дорогой бензин, их КПД составляет 30—40 % (у дизелей КПД достигает 40—50 %), кроме того, они уступают дизелям в простоте устройства и обслуживания. Поэтому, когда требуется большая мощность, применяют дизели (на тракторах и автомобилях большой грузоподъемности, тепловозах, теплоходах и др. ).

Благодаря возвратно-поступательному движению поршня и шатуна в ДВС развиваются значительные динамические напряжения и потому мощность таких двигателей не превышает нескольких десятков тысяч киловатт.

Глава 2. Увеличение мощности спортивного двигателя ЗАЗ.

2. 1. Способы увеличения мощности ДВС.

Современные моторы спортивных автомобилей для увеличения показателей мощности снабжаются турбонаддувом, электронным впрыском топлива, закисью азота и другим. Однако такая форсировка двигателя запрещена техническими требованиями, предъявляемыми к автомобилям для автокросса Российской Автомобильной Федерации, поэтому для увеличения мощности двигателя МеМз-245 мы использовали другие способы.

Во всём мире человек стремится к скорости, добивается её, используя автомобиль, переделывая его конструктивные данные. Автомобиль используется в спортивных состязаниях, как в стандартной его комплектации, так и с полностью или частично измененной конструкцией. Мы взяли автомобиль ЗАЗ 968 и заменили на нём двигатель МеМЗ-968 на МеМЗ-245 и подготовили его согласно техническим требованиям, предъявляемым к автомобилям для автокросса Российской Автомобильной Федерации. На подготовленном автомобиле мы участвуем в спортивных мероприятиях, таких как «Кубок города», «Чемпионат Кузбасса», «Кубок России» на этапе сибирского региона. В данной работе мы раскроем некоторые секреты подготовки двигателя МеМЗ-245 , мы сделали расчёты по увеличению мощности, за счёт изменения следующих параметров:

Проводимые работы с ГБЦ (головкой блока цилиндров).

1. В систему газораспределительного механизма входит распределительный вал, впускные и выпускные клапаны, втулки и пружины клапанов, коромысла и шестерня распределительного вала. Мы делаем замену стандартного распределительного вала на спортивный, который за счёт увеличенных кулачков привода клапанов, увеличивает ход клапанов с 8. 5мм до 10. 5мм и получаем большее проходное сечение между седлом клапана и клапаном. Который от нулевых точек мы отводим на 1. 5 градуса и достигаем этим более продолжительного открытия фаз газораспределения, т. е. впускные клапана остаются дольше открытыми, за счет этого в камеру сгорания поступает большее количество воздушно-бензиновой смеси. А выпускные клапана с этим же 1. 5 градусным смещением распределительного вала открываются с опозданием, что способствует лучшей вентиляции цилиндра, т. к. отработанные газы под давлением не заходят в цилиндр из выхлопной системы.

2. За счет увеличения сечения впускных клапанов в камеру сгорания поступает более насыщенная топливная смесь. А увеличенные выпускные клапана дают больший выход отработанных газов.

3. Увеличивая проходные сечения впускного канала до 28мм и полируя внутренние поверхности, мы достигаем прохождения большего количества горючей смеси в камеры сгорания.

4. Сечение выпускных каналов в головке цилиндров увеличиваем до 28мм, а в коллекторе до 30 мм. И также подвергаем полировке внутренние поверхности, чем достигаем большего выхода отработанных газов из камер сгорания. (Приложение 1)

5. Уменьшая объем камеры сгорания, путем удаления металла с посадочного места головки к цилиндру, мы уменьшаем степень сжатия топливной смеси (Приложение 1). Мы используем бензин с большим октановым числом Аи-98, который способствует лучшему воспламенению и уменьшает детонацию.

6. В связи с увеличением проходного сечения впускных и выпускных систем и увеличением крутящего момента кривошипно-шатунного механизма, на двигатель МЕМЗ -245 (спорт) требуется установить карбюратор ДААЗ-21081 с двумя смесительными камерами и с увеличенными топливными и воздушными жиклерами. Система открывания первичной и вторичной смесительной камеры модифицирована на одновременное открывание (в стандартном карбюраторе открытие заслонок последовательно 1-ая - 2-ая).

Проводимые работы с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).

7. Увеличиваем рабочий объем цилиндров, за счет замены поршней со стандартных 71. 94 мм на увеличенные 73мм. За счет этого мы достигаем большего рабочего объема.

V=ПR2 х h

V=3. 14x732 x 67

V= 1121см3

8. Путем удаления металла с поршней, верхней и нижней головки шатуна уравновешивая их и балансируя, мы достигаем их облегчения, развесовки и уменьшения воздействия «лишней инерции» на коленчатый вал.

9. Удалением металла с отливов коленчатого вала мы достигаем более легкого набора оборотов и увеличение крутящего момента. Балансируем коленчатый вал в сборе маховиком и механизмом сцепления. Маховик перед балансировкой, путем удаления металла, также облегчается. Сбалансированный коленчатый вал с маховиком и механизмом сцепления не должен превышать допустимый дисбаланс 12г. см.

2. 2. Расчет мощности.

Завод-изготовитель установил данные расходу топлива на автомобили ЗАЗ-1102: 6. 6литра на 100км при скорости 120 км/ч. А на спортивном автомобиле экспериментальным путем установлено, что при движении по прямому участку дороги, при скорости 120 км/ч, расход топлива составляет 9. 5 литра на 100 км.

Разгон до 100 км/ч: МеМЗ-245 16,2 с.

МеМЗ-245 (спорт) – 9,8 с.

Стабильная работа двигателя МеМз-245(спорт) достигается от 2800 об/мин. - на более высоких оборотах двигателя КПД увеличивается.

Мощность вычисляем по формуле:

Где Mе – крутящий момент на коленчатом валу, определенный при испытании двигателя на тормозном стенде, кгс. м; n-частота вращения коленчатого вала, мин -1.

Ме = 9,1 кгс. м, при 4100 об/мин; n ~ 6000 об/мин;

Ответ получаем в ваттах = 5714,8 =57,94КВт.

Nе = 77,7 л. с.

Диаграмма работы двигателя.

На диаграмме работы двигателя МеМЗ-245 мы видим, как теоретически возрастает мощность и крутящий момент, спортивный двигатель набирает быстрее обороты, чем стандартный. Крутящий момент возрастает до 9. 1 кгс x м.

Данный ответ подтверждает, что проделанные нами изменения конструкции двигателя, повышают мощность на 46 %, и увеличивают крутящий момент на 11%.

Используя приведённые выше изменения в простом двигателе от автомобиля «Таврия», мы увеличиваем его мощность, крутящий момент и надёжность, что делает автомобиль ЗАЗ 968 более конкурентоспособным в своём классе.

Такие тактика-технические данные, имеют хорошее применение в автокроссе, т. к. есть потребность работы двигателя на высоких оборотах. Двигатель постоянно работает на средних и максимальных оборотах, а низкие обороты практически не применяются, т. к. ни один спортивный двигатель не предназначен для работы на низких оборотах.

Подготовленный автомобиль ЗАЗ 968 (спорт) участвовал в этапе «Кубка России» по сибирскому региону, где в классе с автомобилями ВАЗ доказал способность состязаться с более скоростными автомобилями.

Конечно, на прямых участках «Запорожец» уступает «Жигулям» по набору скорости, но на трудно проходимых участках «Запорожец» за счёт средне оборотного двигателя и смешения центра массы на заднюю ведущую ось «выгребает», а «Жигули» «буксуют».

В целом автомобиль удивил многих спортсменов, когда в полуфинале пришел первым. Напоминаю, что в заезде участвовали ВАЗы и один только Запорожец. В классе «Запорожец» данный автомобиль неоднократно занимал призовые места и был победителем в чемпионате «Кубка Кузбасса» 2006г.

Мы занимаемся автоспортом уже 4 года. Подготовили к соревнованиям не только Запорожец, но и ВАЗ-21083, двигатель у которого усовершенствован с 71 л. с. до 150 л. с. Практика показала, что проведенные работы по усовершенствованию двигателей привели к увеличению технического потенциала и возможностей.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)