Всем привет! Прежде чем заняться увеличением мощности двигателя, неплохо бы разобраться, как он вообще работает и откуда эта самая мощность берется. Я постараюсь поделиться с вами своими знаниями без лишних премудростей. Мы немного коснемся физики из курса 8-го класса школы, но не спешите убегать, если вас пугает слово “Термодинамика”, вам ее вспоминать не обязательно, я расскажу все своими словами и постараюсь чтобы это было максимально доступно.
В этой статье я постараюсь объяснить основы работы двигателя. Если для вас это новая информация, то не забудьте поделиться, понятно ли получилось? А если вы уже и так все знаете, то возможно найдете для себя какие-то нюансы или просто в очередной раз убедитесь в своей правоте. Погнали!
4-х тактный двигатель внутреннего сгорания
Итак, мы будем рассматривать работу поршневого, четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего за счет воспламенения топлива от высокой температуры (компрессионного воспламенения). Что же означают все эти слова? Давайте разберемся по порядку.
Поршневой двигатель - это двигатель, основным движущимся элементом в котором является поршень внезапно!. Если говорить просто, то поршень, это металлическая болванка, по форме чем-то напоминающая банку от колы или пива, на которую давят газы от сгорающего топлива и она это давление передает через специальную палку под названием “шатун” на коленчатый вал. Как бы по-простому назвать коленвал я не придумал, но надеюсь что вы сами справитесь с тем, чтобы понять, как он работает.
Поршень - подвижная часть, двигается в цилиндре - неподвижной части. Сверху цилиндр накрыт головкой. Пространство, которое находится между головкой, поршнем и стенками цилиндра условно можно назвать камерой сгорания. За такое сравнение меня могут побить палками, но для нас такое упрощение допустимо.
Четырехтактный. Такое название двигатель получил, потому что в его работе есть четыре основных такта или шага работы
1. Впуск. В головке открывается клапан, который позволяет воздуху попадать в полость цилиндра. Поршень двигается вниз, засасывая этот воздух, как шприц, пока не опустится в самый низ.
2. Сжатие. Клапан, который позволял воздуху попасть в цилиндр, герметично закрывается, поршень с самого низа начинает движение вверх и сжимает воздух, который находится в цилиндре, пока не поднимется на самый верх. Воздух сжимают, чтобы топливо в нем сгорело быстрее. Школьная химия нас учила - чем выше давление, тем быстрее идет реакция. Воздух сжимают именно для этого.
3. Сгорание топлива и расширение газов или еще его называют рабочий ход. В сжатый воздух подается топливо, которое воспламеняется (пока не важно как именно), сгорает и в процессе сгорания из воздуха и топлива образуется много разных газов, которые обладают одним свойством - они очень горячие, потому что только что сгорели. А если снова обратиться к физике, то мы вспомним, что если газ в замкнутом пространстве нагревается, то он начинает сильнее давить на стенки этого пространства. Боковые стенки цилиндра неподвижные, головка прочно прикручена к цилиндру, а вот поршень может двигаться. Высокое давление давит на поршень и толкает его вниз с большой силой, ради которой это все и затевали, так происходит, пока поршень не уйдет в самый низ.
4. Выпуск. После того как газы максимально расширились и сделали свое дело, от них надо избавиться, чтобы они не мешали набрать новую порцию воздуха и сжать его. Для этого в головке открывается еще один клапан - выпускной, через который выхлопные газы могут выйти из цилиндра, а поршень, который начинает двигаться снизу вверх помогает вытолкнуть эти газы наружу, пока не дойдет до самого верха. После этого все снова начинается с шага 1.
Внутреннего сгорания. Так называют двигатели, горение в которых происходит внутри еще один нежданчик. Выше в описании рабочего хода я уже рассказал, как это происходит, но можем и повторить - внутри двигателя есть воздух, в него подают топливо и поджигают. Горение разогревает газы, которые начинают сильно давить на поршень, передавать это давление через шатун на коленвал и помогать ему крутиться быстрее.
Если вам интересно, есть и двигатели внешнего сгорания, например паровые - там топливо горит отдельно в котле, нагревает воду, которая превращается в пар под давлением и это давление отдельно подают к цилиндрам, в которых пар двигает поршни. Основное преимущество ДВС - это возможность поднять давление воздуха перед началом сгорания в десятки раз, а значит и ускорить горение этого топлива. А чем выше скорость горения, тем больше топлива можно сжигать в единицу времени, а значит получать больше тепла и в итоге выше мощность.
Итак, нам осталось разобраться с тем, как воспламеняется топливо. Дизельное топливо может загореться, если его нагреть до достаточной температуры - это свойственно всем динозавровым сокам, но в дизельном двигателе этот самый разогрев происходит от сжатия воздуха. Время еще раз вспомнить школу и детство. Вы когда-нибудь замечали, что если накачивать колесо велосипеда ручным насосом, то в какой-то момент насос нагревается со стороны выхода воздуха? Физика учит нас - если сжать газ, то у него уменьшится объем, увеличится давление и увеличится температура. Именно это и происходит в дизельном двигателе - поршень быстро сжимает воздух, из-за этого его температура поднимается выше 200 градусов цельсия, в раскаленный воздух впрыскивается топливо, которое за счет этого воздуха нагревается до температуры, при которой оно самовоспламеняется. И не нужно никакой искры от свечи зажигания. Кстати, искрой дизельное топливо поджечь не получилось бы.
Увеличиваем сложность, вспоминаем про термодинамику и рассматриваем отличия от бензина.
В школе мы учили, что существуют разные термодинамические циклы. Интересные нам это циклы Отто и Дизеля - на них основано большинство современных двигателей. Бензиновые на Отто, Дизельные на Дизеле. Есть и другие, мы про них сегодня вспоминать не будем.
Это теоретические циклы, но по ним можно уже понять, какие принципы лежат в основе тех или иных процессов в двигателе. По классике их рисуют в P-V координатах - показывают зависимость объема и давления рабочего тела. Давайте их рассмотрим.
1. Адиабатное сжатие - рабочее тело, газ, в нашем случае это воздух, сжимают. Делают это быстро, поэтому он нагревается и температура, поднявшаяся от нагревания, в теории, не успевает нагреть ничего вокруг. Адиабатное = вся теплота, которая была внутри рабочего тела остается внутри. Объем уменьшается, давление и температура растут.
2. В цикле Отто дальше происходит изохорный подвод теплоты к рабочему телу. В цикле Дизеля этот подвод изобарный. Давайте разбираться, что это означает.
Изохорный = при постоянном объеме. Если воздух сжать, добавить в него топлива, а потом сжечь так быстро, что давление вырастет, а объем измениться не успеет - это как раз будет изохора.
Изобарный = при постоянном давлении. Если по мере расширения объема, в нашем случае по мере движения поршня вниз, понемногу сжигать топливо так, чтобы оставалось постоянное давление, получим изобару.
Подвод теплоты. Ладошками нагревать сжатый воздух мы не будем, да и не получится это - он и так заметно теплее нашего тела. А вот добавить в него топлива и поджечь его мы всегда можем! Это как раз и будет подвод теплоты - мы получим ее от сгорания. А поскольку это все происходит в нашем замкнутом пространстве внутри двигателя, то наше газообразное рабочее тело в виде воздуха просто превратится в разогретые выхлопные газы.
3. И там и там дальше происходит адиабатное расширение - полученная от горения энергия разогрела наше рабочее тело, поэтому эта линия адиабаты проходит выше. Расширение происходит быстро, значит в теории энергия не успевает куда-либо деться и вся уходит на совершение работы - двигает поршень, увеличивая объем. Объем растет, давление и температура падают.
4. Отвод теплоты от рабочего тела. В школе здесь рассказывают о каких-то холодильниках и получается очень сложно, а на самом деле тут надо из цилиндра просто убрать остатки горячих выхлопных газов и заменить их свежим воздухом. И на это в реальном двигателе уходит половина всего времени! Целых два такта - выпуска и впуска.
Так в чем же основные отличия двух циклов? Только во втором шаге - в случае с Отто горение происходит при постоянном объеме, в случае с Дизелем - при постоянном давлении. Это все теоретические циклы, в реальности все происходит немного иначе, причем как в случае с бензиновыми двигателями Отто, так и в случае с Дизельными двигателями одноименного создателя. И дело не только в потерях тепла, давайте попробуем разобраться с реальным циклом.
К картинкам выше добавилась еще пара линий, которая обозначает только впуск и выпуск, но сути не меняет, давайте быстренько по ним пробежимся.
1-2 Поршень начинает двигаться вниз, засасывая воздух, образуется небольшой вакуум в случае атмосферного двигателя или снижение давления в случае наддувного. Воздух попадает в камеру сгорания, пока она увеличивается в объеме
2-3 Воздух сжимается близко к адиабатной линии - часть тепла уходит на нагрев стенок цилиндра, головки и поршня
3-4 Горение происходит в районе верхнего положения поршня, но он двигается в процессе горения, поэтому меняются одновременно и давление и объем - давление растет, объем начинает увеличиваться
4-5 Разогретые продукты горения расширяются близко к адиабатной линии, но часть тепла уходит к стенкам цилиндра, головке и поршню
5-6 Короткий промежуток, когда уже открылся выпускной клапан, но поршень еще не достиг самого низа - выхлопные газы вырываются из цилиндра и давление резко падает, а объем успевает немного увеличиться
6-1 Такт выпуска, когда при постоянном давлении (давлении в выпускной системе) поршень выталкивает остатки выхлопа из цилиндра
Чем отличаются дизельный и бензиновый двигатели?
Реальная картина получается уже почти одинаковой и для бензина и для дизеля, но отличия все же существенные, поэтому давайте их разберем отдельно.
Дизель воспламеняется от нагрева. Это основное отличие и топлива и двигателей на нем. Бензин, как все уже знают, поджигается свечой зажигания.
Дизель горит медленно. Именно поэтому дизель не может работать на высоких оборотах - топливо просто не может догореть целиком, пока поршень двигается вниз. Поэтому в цикле дизеля горение происходит при близком к постоянному давлении. Горение бензина происходит гораздо быстрее, отсюда быстрое повышение давления в камере сгорания, пока она не успела даже начать увеличиваться в объеме. Фактически, смесь в бензине сгорает пока поршень еще находится наверху, а в дизеле горит по мере того как он двигается вниз.
Дизель воспламеняется во всем объеме. Как уже описал выше - впрыснутое топливо воспламеняется от нагретого воздуха, а не от одного источника, поэтому гореть оно начинает сразу везде, что приводит к резкому скачку давления и стучащему звуку работы двигателя. В бензине пламя распространяется от свечи зажигания к краям, двигатель работает мягче, без лишних звуков и стуков.
Дизель не испаряется. После впрыска капельки дизельного топлива остаются висеть туманом в камере сгорания и начинают гореть от краев к центру капли, постепенно захватывая окружающие их молекулы кислорода из воздуха. Именно поэтому дизель горит медленно. И поэтому этот самый туман стараются сделать из как можно меньших капель, увеличивая давление в топливной системе. Еще одна особенность - из-за высокой температуры и давления в камере сгорания, капли дизельного топлива мгновенно проходят процесс крекинга, превращаясь в маленькие кусочки углерода - сажи, которая и дает основное горение, но если не догорит, улетает в трубу. Бензин же испаряется и очень хорошо смешивается с воздухом, в итоге горит чисто и быстро.
Дизельный двигатель управляется топливом, а не воздухом. Дизель всегда всасывает столько воздуха, сколько может и дальше впрыскивает столько топлива, сколько нужно для создания запрашиваемого крутящего момента, поэтому по факту дизель всегда работает с избытком воздуха и кислорода. Если он начнет работать на “богатых” смесях - с избытком топлива, то этот избыток будет улетать в выхлоп в виде сажи. Поскольку в дизеле не нужно ограничивать подачу воздуха в цилиндры, в нем отсутствует дроссельная заслонка, а перед впускными клапанами не создается вакуум, поршню легче засасывать воздух в цилиндр и не нужно тратить на это дополнительную энергию = ниже потери на всасывание воздуха, или как их еще называют - насосные потери. В бензиновых двигателях управление идет через ограничение подачи воздуха, а подача топлива точно рассчитывается под количество воздуха, которое попало в цилиндры, чтобы обеспечивать “идеальную” смесь.
Дизельное топливо можно подавать дозами. Из-за избытка воздуха в цилиндре, в дизельный двигатель можно подавать топливо не одним плевком, а несколькими небольшими порциями, по мере сгорания предыдущей дозы и движения поршня. Таким образом в современных дизелях избегают резкого скачка давления в цилиндре, делая его работу мягче и контролируют давление в цилиндре на заданном уровне, без его резкого повышения. Некоторые бензиновые системы стараются подавать топливо “слоями”, чтобы оно лучше испарялось и смешивалось с воздухом, но как только горение бензина началось, добавку сделать уже не получится, а в дизеле - легко!
Дизельное топливо нельзя подать заранее. Поскольку воспламеняется оно практически сразу после подачи - задержка воспламенения меньше одной миллисекунды, не получится заранее распылить его в воздух, а потом поджечь - оно может начать гореть еще до того, как поршень дошел до самого верха, а если это случится и поршень попробует пойти против движения, может попросту сломать шатун или коленвал. Бензин же можно смешать с воздухом сильно заранее в нужной пропорции и поджечь в желаемый момент.
Дизелю не страшна детонация. Он и есть детонация. Дизель создан, чтобы работать на большом избытке воздуха, поэтому спокойно и без нештатных ситуаций работает на бедных смесях. Момент воспламенения смеси во всем объеме камеры сгорания и с резким увеличением выглядит максимально близко к детонации, поэтому это штатный режим работы для дизельного двигателя. Это увеличивает требования к прочности деталей дизеля, что увеличивает его стоимость, но чаще всего дает и большой запас под тюнинг. Детонация в бензине - это взрывное сгорание топлива во всем объеме камеры сгорания с резким ростом давления, которое может привести к загибу шатунов, прогару поршня или откалыванию перегородок колец, повредить стенки цилиндра и вызвать задиры.
Основные принципы работы отличия выглядят примерно так. Надеюсь что получилось в общих чертах понять как работают двигатели внутреннего сгорания, в частности дизели. Если какие-то отличия упустил, можем обсудить их в комментариях, но основное в этой статье одно - всем двигателям внутреннего сгорания нужен воздух и топливо, чтобы работать. И чем больше их будет, тем выше будет его мощность. Поэтому в следующих статьях мы уже поговорим про тюнинг и увеличение этой самой мощности. За счет чего можно ее получить.