Насоси системи охолодження 1 страница

Призначення

Забезпечення найбільш економічного використання тих чи інших дешевих видів енергії та перетворення одного виду енергії в інший у автомобілі, або поза ним без завдання будь якої шкоди природі та людині.

Вимоги до джерел та перетворювачів енергії

1. Підвищення потужності та крутного моменту при зниженнї металомісткості, зменшенні маси, габаритних розмірів.

2. Підвищення коефіцієнта корисної дії.

3. Підвищення надійністі та довговічністі.

4. Низька собівартість та технологічність виготовлення.

5. Низькі експлуатаційні витрати.

6. Простота обслуговування.

7. Невеликий рівень шуму

8. Зменшення викидів шкідливих речовин, які забруднюють навколишнє середовище та негативно впливають на організм людини.

9. Застосування нових джерел енергії з високим коефіцієнтом корисної дії, модернізація існуючих джерел енергії шляхом застосування електронного керування живленням, наддуву, удосконалення систем впорскування палива, газорозподільного механізму, використанням накопичувачів енергії тощо.

10. Застосування електронних автоматичних комплексних систем керування джерелами та перетворювачами енергії і автомобілем.

 

Класифікація джерел та перетворювачів енергії

 

- Двигуни.

- Акумуляторні батареї.

- Сонячні батареї.

- Конденсатори.

- Повітря під тиском.

- Маховикові (інерційні) накопичувачі енергії.

- Паливні елементи.

- Газогенераторні установки.

2.1. Призначення, вимоги, класифікація, конструкція і принцип дії двигунів

Призначення

Перетворення одного виду енергії в механічну енергію, яка приводить у рух автомобіль. Як правило в двигунах автомобілів, це перетворення теплової, електричної енергії, а також енергії стиснутого повітря, сонця, маховика, що обертається з великою швидкістю в безповітряному просторі в механічну роботу.

В теплових двигунах - енергія згоряння палива перетворюється в енергію обертання колінчатого валу. В електричних двигунах (що використовують енергію генератора, акумуляторних, сонячних батарей, конденсаторів, паливних елементів) – електрична енергія перетворюється у кінетичну енергію обертання ротора. В інерційних (маховичних) накопичувачах енергії – енергія обертання ротора в безповітряному просторі перетворюється в електричну енергію, яка направляється до електродвигуна (двигунів), які приводять у рух автомобіль. В автомобілях з паливними елементами проходять хімічні процеси, при яких виділяється теплова та електрична енергія, що використовується в двигунах внутрішнього згорання для обертання колінчатого валу та електрична енергія для обертання ротора електродвигуна. В пневмодвигунах – енергія стиснутого повітря, рідкого азоту перетворюється в енергію обертання колінчатого валу. В газогенераторних установках автомобілів створюються газові суміші, які використовуються в двигунах внутрішнього згоряння.

 

Класифікація двигунів

 

За способом перетворення енергії:

- Теплові двигуни внутрішнього згорання:

А). Поршневі.

Б). Роторно-поршневі.

В). Роторно-лопатні.

Г). Газотурбінні;

- Теплові двигуни зовнішнього згорання: Стірлінга, паротурбінні, парові.

- Електродвигуни, що працюють за рахунок енергії:
А). Генератора.

Б). Акумуляторів.

В). Сонця.

Г). Паливних елементів.

Д). Конденсаторів.

- Двигуни, що використовують енергію:

А). Інерційних накопичувачів.

Б). Повітря під тиском.

В). Газогенератора, тощо.

За видом основного палива:

- Двигуни, що працюють на легкому паливі (бензин, бензол, гас, спирт тощо);

- Двигуни, що працюють на важкому паливі (дизельному, соляровому маслі, мазуті, тощо);

- Двигуни, що працюють на змішаному паливі (газово-бензинові суміші, суміші рідкого та газового палива);

- Двигуни, що працюють на газу.

За способом здійснення робочого циклу:

- Чотиритактні;

- Двотактні.

За способом запалювання пальної суміші:

- Двигуни з примусовим запалюванням (іскровим, розжаренням);

- Двигуни із самозайманням від стискання.

За способом сумішоутворення:

- Двигуни із зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторні, газові, з впорскуванням легкого палива у впускний колектор);

- Двигуни із внутрішнім сумішоутворенням (дизельні, із впорскуванням легкого палива у циліндр, газотурбінні);

- Двигуни із змішаним сумішоутворенням (газодизельні).

За способом наповнення циліндрів:

- З системами наддуву або без;

- З системами рециркуляції відпрацьованих газів або без;

- З системами охолодження повітря або без.

За ступенем стискання пальної суміші: постійним та змінним;

За кількістю та розташуванням циліндрів:

- однорядні (з похилим, вертикальним, горизонтальним розташуванням);

- дворядні (V-подібні, опозитні);

- трирядні і більше (W-подібні, зіркоподібні).

За конструкцією, кількістю та напрямом руху колінчастих валів: З одним, двома, трьома колінчастими валами або без колінчастих валів та з рухом валів по або проти годинникової стрілки.

За швидкохідністю:

- Тихохідні з середньою швидкістю поршня С < 8м/с.

- Швидкохідні з середньою швидкістю поршня С >8м/с.

За способом регулювання потужності: якісне, кількісне, змішане.

За способом охолодження:

- з рідинним охолодженням;

- з повітряним охолодженням.

За робочим об’ємом;

За способом створення обертового руху маховика та швидкістю;

За способом впорскування бензину: постійне, одноразове, пошарове.

За способом керування: автоматичне або механічне.

 

Основні параметри поршневих двигунів (верхня та нижня мертві точки, радіус кривошипа, хід поршня, тактність, об’єм камери згорання, робочий об’єм циліндра, літраж двигуна, ступінь стискання).

У більшості сучасних автомобілів для забезпечення руху використовуються теплові поршневі чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння. У них теплова енергія згоряння палива перетворюється у механічну енергію, яка витрачається на подолання зовнішнього та внутрішнього опору руху автомобіля.

Поряд з цим на сучасних автомобілях обмежено застосовуються газотурбінні, роторно – поршневі, роторно – лопатні, кульові, без кривошипно – шатунного механізму, зовнішнього згоряння та парові.

Останнім часом все більше додатково до двигунів внутрішнього згоряння (або самостійно) встановлюються генератори, електродвигуни – генератори, маховичні накопичувачі енергії, які дають можливість покращити експлуатаційні властивості автомобіля.

Використання електродвигунів з акумуляторними батареями, конденсаторами, паливних елементів, маховичних накопичувачів енергії разом з двигунами внутрішнього згоряння невеликої потужності є досить перспективним.

 

2.2. Типи двигунів внутрішнього згоряння

Одними з основних вимог до поршневих двигунів внутрішнього згоряння є рівномірність обертання та зрівноваженість. При нерівномірному обертанню колінчастого вала двигуна, всі деталі, що передають крутний момент працюють з ударним навантаженням, яке прискорює їх зношення та поломку. Незрівноваженість двигуна пояснюється наявністю сил і моментів, що виникають при поступальному та обертовому рухах мас кривошипно-шатунного механізму, які діють на опори двигуна.

У зрівноваженому двигуні під час роботи на опори діє постійне навантаження. Незрівноважений двигун, передаючи під час роботи сили та моменти на опори, створює вібрацію, яка визиває додаткове навантаження на підшипники, послаблює кріплення деталей та приводить до їх поломки. Ускладнюється експлуатація двигуна.

Особливо велика нерівномірність обертання колінчастого вала та незрівноваженість у одноциліндрових двигунів. Застосування великіх маховиків в двигунах автомобілів збільшує габарити та масу і погіршує можливість швидко збільшувати або зменшувати оберти.

Для усунення перечислених вище недоліків в автомобілях використовують багатоциліндрові двигуни. При цьому від числа циліндрів залежить зрівноваженість двигуна та рівномірність обертання колінчастого вала з меншим маховиком. Застосування багатоциліндрових двигунів дозволяє дещо зменшити обертові маси кривошипно-шатунного механізму та збільшити оберти і потужність двигуна у порівнянні з одноциліндровим.

На рівномірність обертання та зрівноваженість колінчастого вала впливає порядок роботи циліндрів. Послідовність чергування тактів у циліндрах називають порядком роботи двигуна і позначають, як послідовність номерів циліндрів. Так порядок роботи чотирициліндрового двигуна 1-3-4-2, або 1-2-4-3, шестициліндрового 1-4-2-5-3-6,або 1-5-3-6-2-4 восьмициліндрового 1-5-4-2-6-3-7-8. Нумерація циліндрів рядного двигуна починається від переднього кінця колінчастого вала, при V-образному розташуванні – у такій же послідовності починаючи з лівого ряду.

Робочі ходи та інші такти відбуваються у чотирициліндровому двигуну через 180⁰ (720⁰/4), шестициліндровому через 120⁰ (720⁰/6), восьмициліндровому -90⁰ (720⁰/8), дванадцятициліндровому 60⁰ (720⁰/12).

На зрівноваженість роботи двигуна впливає також розташування циліндрів, яке може бути рядним, V-образним, діапозитним, зіркообразним. З поршневих двигунів найбільш розповсюджені однорядні вертикальні або з похилом циліндрів, дворядні V-образні та діапозитні (з протилежним розташуванням циліндрів).

За тактністю і економічністю найбільше розповсюдження отримали чотиритактні двигуни. Серед дизельних і карбюраторних більш економічні дизельні двигуни у яких витрати палива на одиницю потужності на 30% менші. Останнім часом конструкція двигунів суттєво змінилась, широке застосування отримали інжекторні двигуни з впорскуванням бензину, наддув та охолодження масових зарядів, електронне керування роботою двигунів тощо, що дозволило підвищити економічність застосування двигунів.

 

Рис. 2.1. Джерела та перетворювачі енергії гібридного автомобіля

 

Рядний чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння Хонда Сivic зі стартер-генератором, літієвою акумуляторною батареєю та електродвигунами у трансмісії. Наявність стартер-генератора та електродвигунів у трансмісії дозволяє поряд з енергією двигуна внутрішнього згоряння використовувати енергію акумулятора та послідовну, паралельну та комбіновану схему передачі крутного моменту. Під час гальмування кінетична енергія автомобіля перетворюється в електричну та заряджає акумуляторну батарею.

 

Рис. 2.2. Шестициліндровий чотиритактний рядний дизель з турбонаддувом повітря

 

Застосування турбонаддуву повітря дозволяє покращити масове наповнення циліндрів повітрям та підвищити потужність. Коліна колінчастого вала шестициліндрового двигуна розташовані під кутом 120⁰ один до одного і поршні двох циліндрів одночасно приходять до верхніх та нижніх мертвих точок. Робочий хід у шестициліндровому двигуну здійснюється через 120⁰. Перекривання робочого хода одного циліндра робочим ходом в другому циліндрі забезпечує більш рівномірне обертання та зрівноваженість колінчастого вала.

 

Рис. 2.3. Шестициліндровий дизель ОМ457LA Mercedes Benz Axor з наддувом та охолоджувачем повітря наддуву

 

Двигун потужністю 315 кВт з рядним розташуванням циліндрів має двадцять чотири клапани у газорозподільному механізмі та електронний блок керування. Робота насос-форсунок керується електромагнітами.

 

Рис. 2.4. Шестициліндровий рядний двигун Т6 автомобіля Вольво з турбонаддувом

 

 

Рис. 2.5. П’ятициліндровий 10-ти клапанний двигун VR5

автомобіля VW з V образним розташуванням циліндрів

 

Рис. 2.6. Чотирициліндровий 16-ти клапанний бензиновий

двигун автомобіля VW Lupo

 

 

Рис. 2.7. Рядний чотирициліндровий 16-ти клапанний двигун

з турбонаддувом, безпосереднім впорскуванням бензину

під тиском 1100 бар та двома врівноважуючими валами

 

 

Рис. 2.8. Двигун 1ZR-FE зі змінними кутом відкриття та висотою підйому клапанів

 

 

Рис. 2.9. Восьми циліндровий 32-х клапанний V-образний двигун

V8TDI CR Audi з турбонаддувом, інтеркулером та

системою рециркуляції відпрацьованих газів

 

Рис. 2.10. Дванадцятициліндровий W- образний двигун Ауді А8

 

 

Рис. 2.11. Вісімнадцятициліндровий трирядний дизель BUGATTI

 

Рис. 2.12. Діапозитний шестициліндровий двигун автомобіля Subaru з наддувом

Зменшені габарити по висоті та покращена рівномірність обертання і зрівноваженість колінчастого вала.

 

 

Рис. 2.13. Багатопаливний двигун МСЕ-5 автомобіля Peugeut-407

зі змінним ступенем стискання

 

 

Рис. 2.14. Роторно-поршневий двигун Renesis автомобіля Mazda RX8

 

 

Рис. 2.15. Газотурбінний двигун

 

 

Рис. 2.16. Кульовий двигун внутрішнього згоряння

зі змінним ступенем стискання

 

 

Рис. 2.17. Зовнішній вигляд кульового двигуна внутрішнього згоряння

 

 

Рис. 2.18. Двотактний двигун внутрішнього згоряння без

кривошипно-шатунного механізму

 

 

 

Рис. 2.19. Пневмодвигун-компресор автомобіля MDI

 

2.3. Загальна конструкція та принцип дії теплового поршневого двигуна внутрішнього згоряння

Перетворення теплової енергії згоряння робочої суміші у механічну роботу в поршневих двигунах внутрішнього згоряння здійснюється з допомогою різноманітних механізмів та систем.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння, як правило складається з кривошипно-шатунного, газорозподільного механізмів та систем, до складу яких входять наступні:

1. Основні системи:

- Мащення (під тиском, деякі деталі-розбризкуванням);

- Охолодження (повітряного або рідинного);

- Живлення (карбюраторних, інжекторних та дизельних двигунів) паливом та повітрям;

- Запуску (з використанням стартера, енергії маховика, що обертається, стисненого повітря);

- Запалювання (контактна або безконтактна - іскрове та розжаренням, поєднана з системою живлення “Мотронік”);

- Випуску відпрацьованих газів.

2. Додаткові системи:

- Рециркуляції відпрацьованих газів;

- Охолодження відпрацьованих рециркуляційних газів;

- Передпускового підігріву охолоджувальної рідини, мастила та повітря;

- Керування тяговим зусиллям;

- Керування та контролю за станом двигуна;

- Вентиляції картера;

- Зміни кутів відкриття(закриття) та висоти піднімання клапанів.

 

 

Рис. 2.20. Будова двигуна автомобіля Auris Corolla зі

змінними кутом відкриття та висотою піднімання клапанів

 

 

Рис. 2.21. Поперечний та повздовжній розріз двигуна автомобіля Auris Corolla

 

 

Рис. 2.22. Кульовий 4-х тактний двигун внутрішнього згоряння

на стендових випробуваннях

 

 

Рис. 2.23. Деталі кульового поршневого двигуна внутрішнього згоряння

 

Рис. 2.24. Деталі двотактного двигуна внутрішнього згоряння

без кривошипно шатунного механізму

 

2.4. Робочі цикли автомобільних двигунів

Робочим циклом двигуна внутрішнього згоряння є сукупність процесів, які повторяються у визначеній послідовності в циліндрі, що забезпечує безперервну роботу двигуна.

Робочий цикл поршневого двигуна складається з впускання паливної суміші (повітря), стискання, запалювання та робочого ходу, випуску відпрацьованих газів. За тактністю двигуни бувають дво або чотири тактні.

Якщо робочий цикл здійснюється за два оберти колінчастого вала, або за чотири хода поршня, то це двигун чотиритактний. Якщо робочий цикл здійснюється за один оберт колінчастого вала, або за два хода поршня, то це двигун двотактний.

Робочий цикл дизельного двигуна та бензинового з впорскуванням бензину в циліндр відрізняється від робочого циклу карбюраторного двигуна.

В циліндри дизеля та інжекторного двигуна з прямим впорскуванням бензину поступає чисте повітря. У дизельних двигунах повітря стискується до 18-22 раз та нагрівається. В стиснуте нагріте повітря впорскується під тиском 1300-1850 кПа у вигляді туману паливо, яке самозапалюється від високої температури.

У карбюраторних двигунах та інжекторних зі впорскуванням бензину у впускний колектор в циліндр поступає паливна суміш, яка перемішується в циліндрі з остатками відпрацьованих газів і створює робочу суміш. Робоча суміш у кінці такту стискання запалюється електричною іскрою.

Під час здійснення впуску в кінці такта впуску при роботі двигуна в режимі повного навантаження тиск в циліндрі карбюраторного двигуна складає 8-9 кПа, а температура робочої суміші досягає 80-120⁰ С, дизеля

8-9 кПа і температура 50-80⁰ С.

Під час здійснення стискання робочої суміші тиск у циліндрі карбюраторного двигуна досягає 100-120 кПа, температура до 300-450⁰ С, а тиск повітря дизеля 400-500 кПа і температура до 500-700⁰ С. Для надійної роботи дизеля температура стиснутого повітря повинна бути значно вищою температури самозагоряння палива.

Під час робочого ходу гази тиснуть на поршень, який пересуваючись до нижньої мертвої точки через шатун тисне на шатунну шийку колінчастого вала і обертає колінчастий вал. З моменту загоряння тиск газів швидко піднімається, а потім при руху поршня вниз та зі збільшенням об’єму знижується. В кінці згоряння та на початку розширення тиск у циліндрі карбюраторного двигуна досягає 300-450 кПа, а у кінці розширення понижується до 35-45 кПа при температурі 1200-1500⁰ С. Згоряючі в циліндрі дизеля гази підвищують тиск до 550-800 кПа і температуру до 1800-2000⁰ С.

Під час випуску відпрацьованих газів поршень рухається від нижньої мертвої точки до верхньої витискаючи відпрацьовані гази у випускний трубопровід. Під час випуску відпрацьованих газів не вдається досягти повної очистки циліндрів і частина з них остається в циліндрах. В кінці такту випуску карбюраторних двигунів тиск досягає 10,5-12 кПа при температурі 700-900⁰ С, а дизелях 11-12 кПа при температурі 600-700⁰ С.

 

Рис. 2.25. Одноциліндровий двотактний двигун внутрішнього згоряння

У двотактного двигуна намає спеціального механізму газорозподілу, а є впускні та випускні вікна. Поршень пересуваючись всередині циліндра у визначеній послідовності відкриває та закриває вікна і виконує функції механізму газорозподілу. В циліндр двотактного двигуна з кривошипно-камерною продувкою пальна суміш поступає через картер.

Перший такт. Пересування поршня знизу вверх та перекривання боковою поверхнею поршня спочатку перепускного, а потім і випускного вікон. В циліндрі проходить стискання робочої суміші, а в картер внаслідок розрідження поступає пальна суміш. Під час підходу прошня до верхньої мертвої точки між електродами свічки запалювання виникає іскра, яка запалює робочу суміш.

Другий такт. Горючі гази розширюються та тиснуть на поршень, заставляючи його в ході робочого ходу опускатися вниз. При ходу поршня вниз, він тисне на шатун, шийку колінчастого вала, заставляючи обертатися колінчастий вал. В кінці робочого ходу поршень відкриває випускне вікно і відпрацьовані гази з циліндра випускаються в атмосферу.

Опускаючись нижче поршень відкриває перепускне вікно і паливна суміш поступає в циліндр витісняючи відпрацьовані гази. Незначна частина пальної суміші разом з відпрацьованими газами виходить в атмосферу.

Якщо картер двотактного двигуна сухий то для змащення деталей в паливо добавляється масло, яке в розпиленому виді разом з паливом та повітрям, як паливна суміш поступає спочатку в картер а потім у циліндр.

 

Рис. 2.26. Робота чотиритактного чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння

(В кожному циліндрі такти впускання, стискання, горіння пальної

суміші та випуску відпрацьованих газів при працюючому двигуну постійно повторяються).

 

Рис. 2.27. Індикаторна діаграма чотиритактного двигуна

 

 

Рис. 2.28. Такт впуску (Впорскування бензину у впускний трубопровід та впускання паливної суміші в циліндр, або впускання повітря у дизелів) Кулачки розподільного вала відкрили впускні клапани, а випускні клапани закриті. Поршень рухається до нижньої мертвої точки).

 

 

Рис. 2.29. Такт стискання (Клапани впускні та випускні закриті,

а поршень рухається до верхньої мертвої точки)

 

 

Рис. 2.30. Такт робочого ходу

(Впускні та випускні клапани закриті. Тиск горючих газів штовхає поршень до нижньої мертвої точки. Рухаючись до нижньої мертвої точки поршень тисне на шатун, який тисне на шатунну шийку колінчастого вала та примушує його обертатись).

 

Рис. 2.31. Такт випуску відпрацьованих газів

(Випускні клапани відкриті, а впускні закриті. Поршень рухається до верхньої мертвої точки витискуючи відпрацьовані гази).

 

Рис. 2.32. Камери згоряння дизелів

2.5. Кривошипно-шатунний механізм

 

Призначення

 

Для сприйняття тиску газів у циліндрах та перетворення поступального руху поршня в обертальний рух колінчатого валу.

 

Вимоги

 

Жорсткість та міцність, малі габаритні розміри та маса, зносостійкість, забезпечення руху рідин та повітря без втрат на опір поверхонь, технологічність виготовленя, низька собівартість та експлуатаційні витрати.

 

Конструкція кривошипно-шатунного механізму:

 

1. Рухомі деталі: колінчастий вал з маховиком, шатуни з підшипниками, поршні з кільцями, пальцями, втулками та стопорними кільцями.

2. Нерухомі деталі: блок циліндрів з гільзами, картер, головка блока циліндрів з прокладкою, піддон картера, замки кріплення колінчатого валу та корінні підшипники, кришка головки блока циліндрів з прокладкою.

 

 

Рис. 2.33. Схеми кривошипно-шатунних механізмів:

а-вертикальне розташування циліндрів; б-похиле; в-горизонтальне;

г-V-образне; д- діапозитне.

 

 

Рис. 2.34. Будова кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів

 

 

Рис. 2.35. Кривошипно-шатунний механізм двигуна МСЕ-5

автомобіля Пежо-407 зі змінним ступенем стискання

 

Рис. 2.36. Деталі кривошипно-шатунного механізму

двигуна МСЕ-5 зі змінним ступенем стискання

 

2.5.1. Нерухомі деталі кривошипно-шатунного механізму

Блок циліндрів

Є основою для розміщення механізмів, систем та допоміжних пристроїв двигуна.

Конструкція блоку циліндрів залежить від загального компонування двигуна, числа та розміщення циліндрів, типу систем охолодження, мащення, конструкції кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів.

Блок-картер переважно застосовується на двигунах з рідинним охолодженням. Порожнини у блоку циліндрів, утворені подвійними стінками або зовнішніми стінками блоку циліндрів та гільзами циліндрів служать для циркуляції охолоджуючої рідини. Ці порожнини, а також порожнини у головці блока циліндрів називають сорочкою охолодження двигуна.

Виготовляються блоки циліндрів з сірих дрібнозернистих чавунів, легованих хромом, нікелем, міддю, титаном або алюмінієвих сплавів.

Застосування алюмінієвих сплавів дозволяє зменшити масу блока циліндрів. Для покращення жорсткості використовуються ребра жорсткості. Блок циліндрів може відливатися разом з гільзами циліндрів, або зі вставними гільзами циліндрів. Горизонтальна перегородка розділяє блок на верхню частину з отворами для гільз циліндрів та нижню.

Гільзи циліндрів у блоці можуть бути розташовані в один, два ряди V-образно, три ряди під різними кутами, діапозитно. При V-образному розташуванні кути можуть дорівнювати 10, 20, 60, 75, 90, 120 тощо градусів.

 

 

Рис. 2.37. Кривошипно-шатунний механізм двигуна V8 TDI CR Audi з V-образним розташуванням циліндрів та опорною рамою для колінчастого вала

 

Рис. 2.38. Нерухомі деталі кривошипно-шатунного механізму

чотирьохциліндрового рядного двигуна автомобіля ВАЗ

 

 

Рис. 2.39. V-образний блок циліндрів двигуна автомобіля ЗИЛ-131 з мокрими гільзами

 

1- кільця ущільнення гільзи; 2- гільза циліндра; 3- вставка гільзи;

4- прокладка кришки підшипника; 5- сальникова набивка кришки; 6- нижня кришка картера зчеплення; 7- прокладка кришки картера зчеплення;