Тенденции развития двигателестроения автомобиля
Семенова Нина Александровна, преподаватель,
Санкт-Петербургское ГБПОУ «Техникум «Автосервис»
(Многофункциональный центр прикладных квалификаций)
Санкт-Петербургское ГБПОУ «Техникум «Автосервис»
(Многофункциональный центр прикладных квалификаций)
| СОДЕРЖАНИЕ | ||||||||||||
|
ВВЕДЕНИЕ
В современной жизни сложно обойтись без техники и автомобилей. На этом фоне профессии связанные с техникой очень популярны. Автомеханик – это специалист, который занимается осмотром, ремонтом транспортных средств, регулирует двигатель, тормоза, трансмиссию, подвеску и другие части автомобилей. Автомеханик всегда может произвести общую оценку состояния автомобиля, выявить неисправности и привести автомобиль в рабочее состояние. Для этого ему необходимо отремонтировать механизмы.
Автомеханик - это автослесарь, который производит как обслуживание транспортных средств, так и их последующий ремонт. Именно этот многопрофильный специалист следит за техническим состоянием разных видов автотранспортной техники. Для исследования механизмов у автомеханика должны быть работы необходимые приборы и тренажерные стенды. С помощью стендов можно выявить различные дефекты, провести диагностику и устранить поломки механизмов.
Занятия по специальности, производственная практика в автосервисе поставили для обучающихся ряд вопросов при обслуживании транспортных средств. Актуальность темы публикации в том, что она связывает теорию с практикой.
Цель - разобраться насколько тесно связана профессия автомеханика с физикой и современными достижениями в автомобилестроении. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: исследовать происходящие физические процессы в устройствах автомобиля, выяснить, как они связаны с физикой; провести анализ характеристик традиционного двигателя ДВС и гибридного двигателя. Выявить преимущества и их недостатки и доказать, что за гибридными установками будущее в двигателестроении автомобиля.
1. РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Различные физические процессы происходят в устройствах автомобиля. Не забудем рассмотреть и технологические процессы, а также используемые инструменты.
В автомобиле можно проследить следующие процессы связанные с физикой.[1] Например, генератор и система электрооборудования автомобиля, которая является сложной электрической цепью. Данная цепь питает лампы освещения, фары, поворотники, стоп – сигнал. Электрическая цепь питает электромагнитные реле включения, электродвигатели стеклоочистителей и насосов, измерительные приборы. Работа следующих приборов основана на явлении электромагнитной индукции. К этим приборам относятся: спидометр, тахометр, различные датчики (давления, температуры). Работу двигателя обеспечивают, так же и обогреватели. Автомобилестроение в современных условиях непрерывно развивается, появляется больше возможностей у автомобиля. Поэтому в автомобилях еще можно рассмотреть автоматы управления работой систем, регулировки климата, кондиционеры, противоугонные системы сигнализации.
Одной из важнейших частей автомобиля является аккумуляторная батарея, которая используется в качестве вспомогательного источника электроэнергии в бортовой сети при различных режимах работы двигателя. Принцип работы аккумуляторной батареи основан на преобразовании электрической энергии в химическую энергию. При заряде
химическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Работа аккумуляторной батареи носит циклический характер: разряд-заряд.
Рассмотрим теперь двигатель внутреннего сгорания (или ДВС), без которого не обойтись в автомобилестроении, потому что двигатель осуществляет движение автомобиля. В двигателе происходят термодинамические процессы. Они подчиняются законам термодинамики: газ, полученный при сгорании топлива, расширяясь, двигает поршень.
Внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию в тепловом двигателе и представляет собой систему, которая многократно совершает круговой процесс (цикл). Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника, имеющего более низкую температуру, чем нагревателе.
В двигателе внутреннего сгорания применяют два различных термодинамических цикла.[7] Рассмотрим сначала бензиновый двигатель, который работает таким образом, что в цилиндре на такте впуска всасывается топливовоздушная смесь, которая далее на такте сжатия сжимается, затем в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), зажигается электрической искрой и сгорает. Возникшие при горении газы расширяются за счет выделяющейся теплоты, их давление повышается, и под действием этого давления происходит рабочий ход поршня. При последующем движении поршня до ВМТ из цилиндра отводятся отработавшие газы. Такой идеализированный цикл (цикл Отто) ( см. приложение 2.) предполагает заполнение и очистку цилиндра при положении поршня в мертвых точках и протекание сгорания при положении поршня в ВМТ.
Другой термодинамический цикл (цикл Дизеля см. приложение 2.) протекает подобным образом с тем лишь отличием, что сгорание происходит не при неподвижном поршне, а во время его перемещения из ВМТ таким образом, что давление газов в процессе горения остается постоянным и только после полного сгорания топлива начинается их расширение. В действительности в обоих описанных циклах горение происходит при движущемся поршне и изменяющемся давлении, т. е. действительные циклы двигателей внутреннего сгорания являются циклами со смешанным подводом теплоты. ( см. приложение 2.) В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используется цикл Карно. В результате
требования идеального цикла Карно не выполняет ни один из известных
циклов (Отто, Дизеля, Тринклера),
( см. приложение 2.)
Из анализа цикла Карно следует, что КПД термодинамического цикла зависит от разницы между максимальной температурой T1 и минимальной температурой T2 . Так как температура T2 может быть в самом крайнем случае температурой окружающей среды, то КПД термодинамического цикла никогда не достигнет 100 %.
Для эксплуатации в автомобиле преимущественно используется четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Теперь рассмотрим работу и физические процессы, которые происходят в нём. При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания, (см. приложение 1).
При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала. Определимся в терминологии. Рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз называют тактом. А совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности, называют циклом. В пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные, где цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня и четырёхтактные, где за два оборота коленвала и четыре ходя поршня. При этом, в двигателях, рабочий процесс идёт следующим образом: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск. В цилиндрах тепловых двигателей происходят изменения состояния газа. Рассмотрим наиболее важные изменения:
• адиабатические сжатие и расширение, при которых теплота через стенки цилиндра не подводится к газу и не отводится.
• изотермические сжатие и расширение, при которых температура газа остается постоянной;
• политропное сжатие и расширение, характеризуемое как теплоподводом к газу, так и теплоотдачей газа в течение процесса.
В идеале предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер. А теперь проследим циклы тепловых двигателей. Применяются три типа, отличающиеся процессом изменения давления и температуры газа в цилиндре:
• цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ);
• цикл с подводом теплоты при постоянном давлении и изменяющемся объеме;
• цикл со смешанным подводом теплоты, т. е. подводом сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.
Теперь выделим наиболее важные изменения состояния газа В цилиндрах тепловых двигателях:
• адиабатические сжатие и расширение, при которых теплота через стенки цилиндра не подводится к газу и не отводится от него;
• изотермические сжатие и расширение, при которых температура газа остается постоянной;
• политропное сжатие и расширение, характеризуемое как теплоподводом к газу, так и теплоотдачей газа в течение процесса
В случае идеальных термодинамических циклов предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер.
Коленчатый вал является составной частью кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и одним из наиболее дорогостоящих и значимых конструктивных элементов двигателя. Задача коленвала преобразовать возвратно-поступательное движение поршней ДВС в крутящий момент. Главная задача коленчатого вала – преобразовать возвратно-поступательные движения поршней двигателя в крутящий момент, который через трансмиссию передаётся на колёса автомобиля.
Смесь топлива с воздухом создается в карбюраторе, но для его воспламенения нужна отлаженная система зажигания. Она должна иметь: свечи для создания искры при разряде, индукционные катушки зажигания, стартер, аккумулятор, создающий электродвижущую силу за счет разделения зарядов химическим путем, и генератор, в роторе которого при вращении его в магнитном поле, вырабатывается индукционный ток.
2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
Реалии современного мира такие как уменьшение нефтяных ресурсов и воздействие тепловых двигателей на окружающую среду, побудили автомобильных конструкторов и разработчиков искать более совершенные решения в двигателестроении. Одним из таких решений является выпуск автомобиля с гибридными двигателями.
Двигатели ДВС и гибридные имеют недостатки и преимущества.[8]
Рассмотрим следующий недостаток ДВС - негативное воздействие ДВС на окружающую среду:
1.при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
2.сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника, имеющего более низкую температуру, чем нагреватель.
Разберем теперь устройство и преимущества работы гибридных двигателей. Гибридный двигатель – это система, состоящая из двух связанных между собой агрегатов: электрического и бензинового. Они могут работать как по отдельности, так и одновременно. Управляет этой системой бортовой компьютер автомобиля. Он решает, в зависимости от режима движения, какой тип силового агрегата нужно задействовать в конкретный момент времени. Сейчас создают новые технологии, повышая экономию топлива, поэтому они объединяют двигатель внутреннего сгорания и электромотор в одном автомобиле.
Гибридная силовая установка действительно обладает рядом преимуществ перед традиционными. Если рассмотреть такой автомобиль более детально, то удастся выделить несколько основных элементов:
- бензиновый мотор;
- электрогенератор;
- гибридная трансмиссия;
- электродвигатель задних и передних колес;
- батарея высокой емкости;
- блок управления силовой системой.
Используя преимущества электромоторов и ДВС гибридный автомобиль способен показать более высокий коэффициент полезного действия, что собственно и является главной целью создания подобных машин. Данные идеи стали особенно актуальны в наше время в условиях повышения цен на топливо. Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки (рис.2).
В то же время на данный момент имеются свои недостатки. В частности это высокая сложность конструкции, вследствие чего увеличивается себестоимость. Из-за этого многие мировые автомобильные компании отказываются или откладывают на неопределенный срок создание подобных образцов. Также усложняется техническое обслуживание, возникают трудности с утилизацией аккумуляторных батарей.
Электромотор используется для того, чтобы тронуться с места и дальнейшей езды на малых скоростях [9]. При первичном разгоне батарея начинает отдавать свою энергию, направляя ее на блок управления электропитанием и затем непосредственно на электрические двигатели.
Во время движения в обычном режиме используется одновременно бензиновый двигатель и электромотор. Нагрузка распределяется между ними равномерно. Генератор производит зарядку батареи во время движения, когда в работу вступает ДВС. Во время разгона основная нагрузка ложится на бензиновый двигатель. Если требуется улучшить динамику, то в дело вступает электромотор. В этом режиме вновь происходит батареи за счет энергии движения
Отсюда можно понять, что гибридные автомобили гораздо более эффективны в работе, хотя бы за счет того, что используется кинетическая энергия, которая до этого просто расходовалась впустую. Кроме того производители устанавливают на свои машины самые современные двигатели внутреннего сгорания и сложные компьютерные системы.
Главным недостатком гибрида является тот факт, что расчетный срок службы аккумулятора в разы меньше срока службы автомобиля. А стоит аккумулятор дорого. Кроме того, вес машины тоже существенно увеличивается за счет веса генератора, электродвигателей и аккумулятора, хотя силовая установка на органическом топливе в гибриде меньше и легче.
Аккумуляторы постоянно совершенствуются. Падает их цена и вес, растет срок службы. В результате, проведенных исследований сравнения рабочих характеристик видно, что в течение нескольких лет появятся гибридные двигатели, стоимость и масса которых будет сравнима с классической силовой установкой при соизмеримых экологических стандартах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В реферате были прослежены и исследованы происходящие физические процессы в устройствах автомобиля. Был проведен сравнительный анализ автомобильных двигателей ДВС и гибридных двигателей новых технологий. В целом автомобили с гибридными двигателями обладают положительными характеристиками и двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя .
Больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городе, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. Здесь уместно отметить что, расход топлива у гибридных двигателей на 25% меньше, чем у автомобилей традиционной схемы, следовательно, экологичность транспортного средства также заметно повышается. Поэтому основными преимуществами гибридных силовых установок автомобиля являются:
- снижение уровня вредных выбросов в окружающую среду;
- снижение расходов на топливо;
- увеличенный пробег автомобиля;
- снижение уровня шумности ДВС;
- улучшенные характеристики работы обоих применяемых систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коробейник А.В. Ремонт легкового автомобиля. Изд. Феникс, 2004
2. Пехальский А.П., Пехальский А.И. Устройство автомобилей. Изд. Центр «Академия» 2013.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 кл.: Учебник. – М.: Просвещение, 2013. – 366 с.: ил.
4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 кл.: Учебник. – М.: Просвещение, 2013. – 399 с.: ил.
Использованные ресурсы
5. https://multiurok.ru/files/nieobkhodimost-izuchieniia-fiziki-dlia-budushchikh.html
6. https://infourok.ru/prezentaciya-po-fizike-fizika-v-professii-avtomehanika-452633.html
7. http://icarbio.ru/articles/termodinamicheskie-cikly-dvigatelej.html
8. https://revolution.allbest.ru/ecology/00485141_0.html
9. http://kursak.net/gibridnye-avtomobili-dostoinstva-i-nedostatki/
