Глава 7 - Работа на двигателя с вътрешно горене
Изискванията към двигателите с вътрешно горене са много сложни и често изискват противоречиви изисквания от разработчиците. Мехатрониката играе много важна роля в тези насоки за развитие. Разработеният тук материал запознава читателя с работата на двигателите с вътрешно горене, елементите и работата на системите, които ги контролират. Освен това акцентира върху представянето на причина и следствие. Разбира се, в дадена рамка може да се направи само „кратко“ обобщение, но в края на всяка глава бяха посочени ресурси, които могат да се използват за допълнително разширяване на знанията.
7.1. Двигатели с вътрешно горене
Двигателят с вътрешно горене е машина, при която химическата енергия се превръща в топлина чрез изгаряне, която се превръща в механична работа от газообразна работна среда. В процеса енергията изглежда предимно потенциално под формата на натиск.
В днешно време буталните двигатели имат почти монопол сред двигателите с вътрешно горене. Основните имена и обозначения, използвани за тях, са дадени в 7.1. Фигура.
Факторите, които оказват основно влияние върху дизайна на двигателите, са работният процес и дизайнът. Определяне от гледна точка на работния процес:
принципът на работа на двигателя
попадане на свеж заряд (въздух или смес) в цилиндъра
естеството на горивото
място на образуване на смес
дизайнът на горивната камера
От значение за конструкцията:
разположение на цилиндрите
контрол на процеса на обмен на газ
Според принципа на работа различаваме четиритактови (всмукване, компресия, разширение, изпускане) и двутактови (всмукване + компресия, разширение + изпускане) и други системи напр. Цикъл на Аткинсън, Ванкел и др. Четиритактовият двигател изисква четири хода за целия работен процес, докато двутактовият двигател изисква два хода. Свежият заряд може да влезе в цилиндричното пространство чрез засмукване или пълнене. Ако средата тече директно от външната атмосфера в двигателя, ние говорим за смукателен двигател. Ако повече работна течност от атмосферното състояние се влее в отделението на цилиндъра на двигателя при увеличаване на обема, съответстващо на изместването на буталото, двигателят се зарежда. Центробежният компресор и газовата турбина на общ вал най-често се използват за доставяне на средата с по-висока плътност в пространството на цилиндъра, като в този случай говорим за двигател с турбокомпресор.
Двигателите с вътрешно горене могат да използват течни и газообразни горива - евентуално смеси от тях. Най-често използваните горива са бензин, дизел и различни газове. По икономически и екологични причини се използват и възобновяеми горива и смеси от тях с конвенционални горива (естери на растителни масла, етанол, DME, биометан и др.).
Образуването на въздушно-горивната смес може да стане извън двигателното отделение (външно смесване) и вътре в двигателното отделение (вътрешно смесване). Докато външното смесване е типично за конвенционалните бензинови и газови двигатели, дизеловите двигатели и т.нар директното впръскване на бензиновите двигатели използва вътрешно смесване.
Изгарянето на гориво се извършва предимно в горивната камера (компресионна камера) близо до горната мъртва точка. Формата на горивната камера основно влияе върху интензивността и хода на горенето. Горивната камера може да бъде обща за цилиндровата камера (неразделена горивна камера). В случай на неразделена горивна камера изискванията за образуване на смес са по-високи.
Енергията, необходима за запалване на сместа гориво-въздух, може да бъде осигурена от външна енергия (например електрическа искра). Това са т.нар. двигатели с искрово запалване, които след техния изобретател се наричат още двигатели на Ото. Ако температурата на сместа гориво-въздух се повиши над температурата на запалване по време на компресията, сместа ще се запали спонтанно. Това са двигатели с компресионно запалване, популярно наричани дизелови двигатели.
Според разположението на цилиндрите различаваме: стоящи, легнали, висящи, звезда, W, „боксьор”, V-двигатели и др. Най-често срещаните са стационарни двигатели или леко наклонената му версия е наклонени двигатели. Цилиндрите обикновено се поставят един след друг (редови двигатели), но могат да се поставят и един срещу друг (напр. 180-градусов V-мотор или боксерни двигатели).
Процесът на обмен на газ се контролира предимно от клапани, има няколко вида въз основа на дизайна. По отношение на разположението, той може да бъде страничен (SV) или горен клапан. Контролът на отваряне на клапана може да бъде подконтролиран (OHV [3]) или свръхконтролиран. Последните могат да бъдат един (OHC) или два разпределителни вала (DOHC). Времето за отваряне и затваряне на управлението на клапана може да бъде фиксирано или променливо, много видове са често срещани, напр. VVT-i, VANOS, AVS, VTECH и др. Управлението на гнездата (управление на буталото) се използва главно за двутактови двигатели (по-стар тип).