- 3.1 Рейтинг
- 6139 Просмотров
Часть первая, обзорная. Общий принцип работы бензинового двигателя внутреннего сгорания
Для удобства разделим мотор на три концептуальные части:
Железки (ШПГ, КШМ, ГРМ)
Система питания
Система зажигания
Железки
Если в школе(и/или вузе) тебе было глубоко положить на термодинамику, циклы Карно и Отто, тепловые процессы и иже с ними, если капот ты открывал только с целью долить масла или другой жижи – просто набери в Википедии «поршневой двигатель». Там есть анимированные картинки, которые дадут общее представление о кинематике ДВС. Сразу оговоримся, мы будем говорить о четырехтактном бензиновом моторе -– двухтактники это архаично и неэкологично, а дизель – это гораздо сложнее для неспециалиста. Итак, железки – они в сборе выполняют функции:
— преобразование энергии горящего топлива в механическую(поступательную)-поршень с уплотнительными кольцами, цилиндр. Здесь рулить особо нечем.
-преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное — шатун, коленчатый вал. Тут тоже все сугубо железно.
-организация процесса – газораспределительный механизм. В простейшем случае это кулачковый вал, связанный с коленчатым цепной или зубчатоременной передачей, открывающий и закрывающий в нужный момент впускные и выпускные клапана. Тут бывают электронные системы изменения фаз газораспределения, это интересно, но об этом гораздо позже.
-всякая вспомогательная фигня – смазка трущихся поверхностей, поддержание температурного режима мотора, выработка электричества, пуск мотора – в этих железках есть чуть-чуть электроники, но самый минимум, упомянем их позже по мере надобности.
Вот такая вот абстракция из железок сложилась, теперь собственно наша цель – как всем этим управлять. В основном управлением занимаются вышеупомянутые системы питания и зажигания. Сейчас трудно рассматривать их не в связи друг с другом, а во времена, когда «копейки» были новыми эти две системы жили каждая абсолютно своей жизнью.
Итак, что же нам нужно, чтобы запустить систему, которая так весело крутится на Википедии? Достаточно немного – раскрутить железки электромотором от аккумулятора, подать на впуск ПРАВИЛЬНУЮ горючую смесь, и в ПРАВИЛЬНЫЙ момент её, сжатую, поджечь. Поехали? Просто? Вроде бы да, да закавыка в том, что ПРАВИЛЬНЫЕ состав смеси и момент искрообразования для каждой комбинации «обороты-нагрузка-тепература-положение педали газа-еще куча параметров» — величины совершенно разные. А сильно отклоняться от ПРАВИЛЬНЫХ нельзя: тут тебе и мощность, и экономичность с экологичностью логарифмически быстро ухудшаются.
Вот где простор для современной вычислительной техники! Однако, когда компьютеры были большими, рулила аналоговая техника. Применительно к авто они назывались «карбюратор» и «контактная система зажигания». Я сравниваю эти два автоархаизма с арифмометром «Феликс» — железно, надежно при качественном изготовлении, но уж очень медленно, инерционно, и поэтому неточно.
В век дешевого бензина, дорогих микросхем и попустительского отношения к экологии прокатывало -– но инженерная мысль не стояла на месте.
Углубляться в прошлое и рассказывать про карбюраторы и контактное зажигание не буду – любопытный сам найдет, а мы представим что их никогда и не было, забудем как страшный сон, и перейдем к более современным Электронным Системам Управления Двигателем – для своих просто ЭСУД или для буржуев Engine Management System.
Все гениальное просто – механическая часть систем питания и зажигания современных ДВС, оборудованных ЭСУД, действительно проста. Как мы договорились выше, нам нужно дать мотору правильную смесь и в нужный момент поджечь.
Для этого мы засовываем в бензобак топливный насос который, в отличие от своего карбюраторного собрата, способен давать некислое давление (на моём Опеле до 6 очков, как-то мерял), и врезаем в топливопровод регулятор давления. Эта фигня жутко похожа на стабилизатор LM78xx – она пропускает нужные мотору 2-3 атмосферы в топливную рейку, а остальное отправляет обратно в бак.
Топливная рейка(она же рампа), чтоб ты знал – это такая трубка из нержавейки квадратная в сечении обычно, по одной из граней которой прорезаны отверстия под форсунки. Собственно форсунка – это маленький электромагнитный клапан с распылителем. Подали напругу — Соленоид втягивает подпружиненную иглу, которая выходит из своего конического седла, и открывает форсунку. А она, как ты помнишь вставлена одним концом в рейку, в которой, как ты надеюсь тоже не забыл, строго определенное давление. Соответственно из крошечных отверстий распылителя форсунки изрыгается факел тончайше распыленного топлива. И самое интересное –- не абы сколько этого топлива, а до микрограмма определенное. Давление-то постоянное, и расход топлива через форсунку за единицу времени мы знаем… Какой вывод? Замечательный –- этой темой могут рулить твои и мои любимые электронные «жучки»
Т.е. подавая на форсунку импульсы определенной ширины мы получаем впрыснутую дозу топлива, строго пропорциональную ширине поданного импульса. Таким образом мы с тобой познакомились с первым исполнительным устройством системы управления двигателем.
Но, как известно, чтобы получить что-то на выходе, надо иметь что-то и на входе. В самом деле-впрыснуть топлива мы теперь можем сколько захотим, а вот сколько надо захотеть? Тут самое время сделать еще одно физическое-лирическое отступление: о составе горючей смеси. Как ты уже понял, оная состоит из воздуха и топлива(в нашем случае бензина), причем топливо подразумевается в испаренном состоянии. Фишка здесь в том, что наибольшая теплота сгорания развивается при сжигании смеси с определенным составом – на одну массовую долю топлива надо 14.7 массовых долей воздуха.
При отклонениях туда-сюда в 10 процентов тоже горит, но не всегда оптимально, при дальнейших отклонениях начинает переставать воспламеняться. Выходит, для того, чтобы впрыснуть сколько надо топлива, надо знать сколько мы засосали воздуха. Карбюратор не знал, он оперировал непосредственно законом Бернулли, за что был списан на задворки истории, а вот нам непременно надо. Для этого познакомимся с первым датчиком – массового расхода воздуха (ДМРВ). Раньше для замера массы входящего воздуха во впускном канале устанавливалась подпружиненная заслонка, ось которой была связана с потенциометрическим датчиком. Недостатки долго объяснять не надо – много механики, инерционная тяжелая заслонка, стирающееся покрытие дорожки потенциометра(ужас любого электронщика и аудиофила) – в общем у меня на машине такой, но ей уже 18 лет.
Современная конструкция – два волоска из платины, нагреваемых от источника тока, один из которых обдувает входящий поток воздуха, второй — контрольный. Чем плотнее поток – тем сильнее остывает обдуваемый волосок, по изменению сопротивления вычисляется масса воздуха. На выходе уже удобоваримый сигнал для контроллера.
Ну вот, элементарные исходные данные чтобы приготовить нужную смесь у нас есть, теперь надо придумать как поджечь это дело. Тут особо сложного ничего также нет. Непосредственно поджигом занимается свеча зажигания – обычный высоковольтный искровой разрядник. А нужные ему 10-20 кВ выдает катушка зажигания – по сути трансформатор.
Подали на первичку 12 вольт постоянки – накопили энергию. Потом разрываем первичную цепь – великая и ужасная электромагнитная индукция наводит на вторичке требуемое высокое напряжение. Оно пробивает воздушный зазор на свече – и смесь нужной консистенции, которую мы с тобой засосали в цилиндр и сжали на первом «туда-сюда» рабочего цикла, благополучно воспламеняется.
Тут лирическое отступление. Я как человек, вкуривший-таки (хоть и в достаточно зрелом возрастеJ) в термодинамику, не люблю, когда говорят, что смесь в цилиндре «взрывается». Взрываться – слишком общее слово, взрывы могут происходить с участием не только процесса горения, но всяких там цепных ядерных реакций, термоядерных синтезов, гидроударов т.п. И лексика слова «взрыв» — оно однокоренное слову «рвать». И действительно – то, что взывается, обычно имеет оболочку, которая и рвется, у нас же в ее роли стенки цилиндров, которые остаются целыми и невредимыми. Так что я и книжки предпочитаем говорить, что смесь сгорает. И это действительно так – сгорая, нагревает теплотой сгорания газы, которые при сгорании образуются (а там безвредные CO2 и H2O, а также ужасные CO, CH, Nox, с которыми нужно бороться).
Газы, как им положено, при этом расширяются и давят на поршень, который на втором «чих-пых» рабочего цикла отдает механическую энергию вращающейся системе (там еще есть на одном конце коленвала круглая фигня, похожая на блин от штанги с зубчатым венцом по краю – маховик – он запасает энергию на рабочем ходу и отдает на прочих ходях поршня – получаем плавный ход).
Ну и напоследок еще одним ходом вверх при открытом выпускном клапане поршень выбрасывает газы наружу (в современных авто через специальный очиститель), загрязняя нашу многострадальную атмосферу. Цикл повторяется раз за разом, и оно крутится!
Но крутится пока только у нас в уме – поджечь-то мы подожгли, а вот в нужный ли момент? Фишка в том, что время сгорания определенной порции смеси – величина условно постоянная, а вот при разных оборотах мотора время цикла, разумеется, меняется. А еще, в идеальном случае сила давления на поршень должна появляться в момент, когда он пройдет свою верхнюю точку и только-только начнет движение вниз. Но если мы подадим искру в этот самый момент – пока смесь будет разгораться, пока начнет отдавать свое тепло газам – поршень уже уйдет чуть вниз, а когда дойдет до низа, у нас еще вовсю будет гореть смесь, которая уже должна быть отработанными газами.
Короче часть энергии – просто на ветер, а еще температура выпускного тракта поднимается, и еще есть негативные последствия. Стало быть, поджигать надо чуть раньше. Вот мы и подобрались к еще одной важнейшей количественной мере теории ДВС – углу опережения зажигания. Это угол по коленвалу между его положением в верхней мертвой точке и положением в момент подачи искры. Чем выше обороты, тем раньше надо поджечь, чтобы успело разгореться, тем больше соответственно угол. Выходит, нам с тобой надо знать положение коленвала в каждый момент времени.
И тут снова приходит на помощь наша любимая электроника. Вешаем на коленвал диск с зубчиками по краям, неподвижно у края диска закрепляем датчик (может быть датчиком Холла, индуктивным, да хоть оптическим). В простом случае хватает 60 зубчиков. При вращении коленвала датчик будет вырабатывать электрический сигнал (прямоугольный, синус, зависит от типа датчика). И самая главная хитрость – в одном или нескольких местах по окружности нашего диска убираем один зуб – теперь мы можем засечь КОНКРЕТНОЕ положение коленвала а дальше отсчитывать угол по импульсам датчика. Теперь мы поджигаем смесь не когда попало, а с нужным углом опережения. Больше оборотов – раньше генерим искру, меньше – позже. А что же происходит, когда давишь на газ? Элементарно – даешь мотору больше воздуха.
Мы не зря пошли плясать именно от воздуха – цепочка начинается с него. Больше воздуха измерили – больше впрыснули топлива – больше энергии выделилось – обороты увеличились(либо при тех же оборотах работаем на бОльшую нагрузку). Для регулирования потока воздуха поставим на его пути канал круглого сечения (называется дроссельный патрубок)и перекроем его круглым диском, надетым на ось, совпадающую с линией его диаметра так, что на этой оси он может поворачиваться. Поворачивая диск на оси регулируем поток воздуха – вуаля! Называется этот диск дроссельной заслонкой, управляется механически от педали газа, либо электронно (датчик на педали, исполнительный шаговик с датчиком положения на заслонке).
Вот так, в первом приближении оно все и работает.
Для удобства разделим мотор на три концептуальные части:
Железки (ШПГ, КШМ, ГРМ)
Система питания
Система зажигания
Железки
Если в школе(и/или вузе) тебе было глубоко положить на термодинамику, циклы Карно и Отто, тепловые процессы и иже с ними, если капот ты открывал только с целью долить масла или другой жижи – просто набери в Википедии «поршневой двигатель». Там есть анимированные картинки, которые дадут общее представление о кинематике ДВС. Сразу оговоримся, мы будем говорить о четырехтактном бензиновом моторе -– двухтактники это архаично и неэкологично, а дизель – это гораздо сложнее для неспециалиста. Итак, железки – они в сборе выполняют функции:
— преобразование энергии горящего топлива в механическую(поступательную)-поршень с уплотнительными кольцами, цилиндр. Здесь рулить особо нечем.
-преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное — шатун, коленчатый вал. Тут тоже все сугубо железно.
-организация процесса – газораспределительный механизм. В простейшем случае это кулачковый вал, связанный с коленчатым цепной или зубчатоременной передачей, открывающий и закрывающий в нужный момент впускные и выпускные клапана. Тут бывают электронные системы изменения фаз газораспределения, это интересно, но об этом гораздо позже.
-всякая вспомогательная фигня – смазка трущихся поверхностей, поддержание температурного режима мотора, выработка электричества, пуск мотора – в этих железках есть чуть-чуть электроники, но самый минимум, упомянем их позже по мере надобности.
Вот такая вот абстракция из железок сложилась, теперь собственно наша цель – как всем этим управлять. В основном управлением занимаются вышеупомянутые системы питания и зажигания. Сейчас трудно рассматривать их не в связи друг с другом, а во времена, когда «копейки» были новыми эти две системы жили каждая абсолютно своей жизнью.
Итак, что же нам нужно, чтобы запустить систему, которая так весело крутится на Википедии? Достаточно немного – раскрутить железки электромотором от аккумулятора, подать на впуск ПРАВИЛЬНУЮ горючую смесь, и в ПРАВИЛЬНЫЙ момент её, сжатую, поджечь. Поехали? Просто? Вроде бы да, да закавыка в том, что ПРАВИЛЬНЫЕ состав смеси и момент искрообразования для каждой комбинации «обороты-нагрузка-тепература-положение педали газа-еще куча параметров» — величины совершенно разные. А сильно отклоняться от ПРАВИЛЬНЫХ нельзя: тут тебе и мощность, и экономичность с экологичностью логарифмически быстро ухудшаются.
Вот где простор для современной вычислительной техники! Однако, когда компьютеры были большими, рулила аналоговая техника. Применительно к авто они назывались «карбюратор» и «контактная система зажигания». Я сравниваю эти два автоархаизма с арифмометром «Феликс» — железно, надежно при качественном изготовлении, но уж очень медленно, инерционно, и поэтому неточно.
В век дешевого бензина, дорогих микросхем и попустительского отношения к экологии прокатывало -– но инженерная мысль не стояла на месте.
Углубляться в прошлое и рассказывать про карбюраторы и контактное зажигание не буду – любопытный сам найдет, а мы представим что их никогда и не было, забудем как страшный сон, и перейдем к более современным Электронным Системам Управления Двигателем – для своих просто ЭСУД или для буржуев Engine Management System.
Все гениальное просто – механическая часть систем питания и зажигания современных ДВС, оборудованных ЭСУД, действительно проста. Как мы договорились выше, нам нужно дать мотору правильную смесь и в нужный момент поджечь.
Для этого мы засовываем в бензобак топливный насос который, в отличие от своего карбюраторного собрата, способен давать некислое давление (на моём Опеле до 6 очков, как-то мерял), и врезаем в топливопровод регулятор давления. Эта фигня жутко похожа на стабилизатор LM78xx – она пропускает нужные мотору 2-3 атмосферы в топливную рейку, а остальное отправляет обратно в бак.
Топливная рейка(она же рампа), чтоб ты знал – это такая трубка из нержавейки квадратная в сечении обычно, по одной из граней которой прорезаны отверстия под форсунки. Собственно форсунка – это маленький электромагнитный клапан с распылителем. Подали напругу — Соленоид втягивает подпружиненную иглу, которая выходит из своего конического седла, и открывает форсунку. А она, как ты помнишь вставлена одним концом в рейку, в которой, как ты надеюсь тоже не забыл, строго определенное давление. Соответственно из крошечных отверстий распылителя форсунки изрыгается факел тончайше распыленного топлива. И самое интересное –- не абы сколько этого топлива, а до микрограмма определенное. Давление-то постоянное, и расход топлива через форсунку за единицу времени мы знаем… Какой вывод? Замечательный –- этой темой могут рулить твои и мои любимые электронные «жучки»
Т.е. подавая на форсунку импульсы определенной ширины мы получаем впрыснутую дозу топлива, строго пропорциональную ширине поданного импульса. Таким образом мы с тобой познакомились с первым исполнительным устройством системы управления двигателем.
Но, как известно, чтобы получить что-то на выходе, надо иметь что-то и на входе. В самом деле-впрыснуть топлива мы теперь можем сколько захотим, а вот сколько надо захотеть? Тут самое время сделать еще одно физическое-лирическое отступление: о составе горючей смеси. Как ты уже понял, оная состоит из воздуха и топлива(в нашем случае бензина), причем топливо подразумевается в испаренном состоянии. Фишка здесь в том, что наибольшая теплота сгорания развивается при сжигании смеси с определенным составом – на одну массовую долю топлива надо 14.7 массовых долей воздуха.
При отклонениях туда-сюда в 10 процентов тоже горит, но не всегда оптимально, при дальнейших отклонениях начинает переставать воспламеняться. Выходит, для того, чтобы впрыснуть сколько надо топлива, надо знать сколько мы засосали воздуха. Карбюратор не знал, он оперировал непосредственно законом Бернулли, за что был списан на задворки истории, а вот нам непременно надо. Для этого познакомимся с первым датчиком – массового расхода воздуха (ДМРВ). Раньше для замера массы входящего воздуха во впускном канале устанавливалась подпружиненная заслонка, ось которой была связана с потенциометрическим датчиком. Недостатки долго объяснять не надо – много механики, инерционная тяжелая заслонка, стирающееся покрытие дорожки потенциометра(ужас любого электронщика и аудиофила) – в общем у меня на машине такой, но ей уже 18 лет.
Современная конструкция – два волоска из платины, нагреваемых от источника тока, один из которых обдувает входящий поток воздуха, второй — контрольный. Чем плотнее поток – тем сильнее остывает обдуваемый волосок, по изменению сопротивления вычисляется масса воздуха. На выходе уже удобоваримый сигнал для контроллера.
Ну вот, элементарные исходные данные чтобы приготовить нужную смесь у нас есть, теперь надо придумать как поджечь это дело. Тут особо сложного ничего также нет. Непосредственно поджигом занимается свеча зажигания – обычный высоковольтный искровой разрядник. А нужные ему 10-20 кВ выдает катушка зажигания – по сути трансформатор.
Подали на первичку 12 вольт постоянки – накопили энергию. Потом разрываем первичную цепь – великая и ужасная электромагнитная индукция наводит на вторичке требуемое высокое напряжение. Оно пробивает воздушный зазор на свече – и смесь нужной консистенции, которую мы с тобой засосали в цилиндр и сжали на первом «туда-сюда» рабочего цикла, благополучно воспламеняется.
Тут лирическое отступление. Я как человек, вкуривший-таки (хоть и в достаточно зрелом возрастеJ) в термодинамику, не люблю, когда говорят, что смесь в цилиндре «взрывается». Взрываться – слишком общее слово, взрывы могут происходить с участием не только процесса горения, но всяких там цепных ядерных реакций, термоядерных синтезов, гидроударов т.п. И лексика слова «взрыв» — оно однокоренное слову «рвать». И действительно – то, что взывается, обычно имеет оболочку, которая и рвется, у нас же в ее роли стенки цилиндров, которые остаются целыми и невредимыми. Так что я и книжки предпочитаем говорить, что смесь сгорает. И это действительно так – сгорая, нагревает теплотой сгорания газы, которые при сгорании образуются (а там безвредные CO2 и H2O, а также ужасные CO, CH, Nox, с которыми нужно бороться).
Газы, как им положено, при этом расширяются и давят на поршень, который на втором «чих-пых» рабочего цикла отдает механическую энергию вращающейся системе (там еще есть на одном конце коленвала круглая фигня, похожая на блин от штанги с зубчатым венцом по краю – маховик – он запасает энергию на рабочем ходу и отдает на прочих ходях поршня – получаем плавный ход).
Ну и напоследок еще одним ходом вверх при открытом выпускном клапане поршень выбрасывает газы наружу (в современных авто через специальный очиститель), загрязняя нашу многострадальную атмосферу. Цикл повторяется раз за разом, и оно крутится!
Но крутится пока только у нас в уме – поджечь-то мы подожгли, а вот в нужный ли момент? Фишка в том, что время сгорания определенной порции смеси – величина условно постоянная, а вот при разных оборотах мотора время цикла, разумеется, меняется. А еще, в идеальном случае сила давления на поршень должна появляться в момент, когда он пройдет свою верхнюю точку и только-только начнет движение вниз. Но если мы подадим искру в этот самый момент – пока смесь будет разгораться, пока начнет отдавать свое тепло газам – поршень уже уйдет чуть вниз, а когда дойдет до низа, у нас еще вовсю будет гореть смесь, которая уже должна быть отработанными газами.
Короче часть энергии – просто на ветер, а еще температура выпускного тракта поднимается, и еще есть негативные последствия. Стало быть, поджигать надо чуть раньше. Вот мы и подобрались к еще одной важнейшей количественной мере теории ДВС – углу опережения зажигания. Это угол по коленвалу между его положением в верхней мертвой точке и положением в момент подачи искры. Чем выше обороты, тем раньше надо поджечь, чтобы успело разгореться, тем больше соответственно угол. Выходит, нам с тобой надо знать положение коленвала в каждый момент времени.
И тут снова приходит на помощь наша любимая электроника. Вешаем на коленвал диск с зубчиками по краям, неподвижно у края диска закрепляем датчик (может быть датчиком Холла, индуктивным, да хоть оптическим). В простом случае хватает 60 зубчиков. При вращении коленвала датчик будет вырабатывать электрический сигнал (прямоугольный, синус, зависит от типа датчика). И самая главная хитрость – в одном или нескольких местах по окружности нашего диска убираем один зуб – теперь мы можем засечь КОНКРЕТНОЕ положение коленвала а дальше отсчитывать угол по импульсам датчика. Теперь мы поджигаем смесь не когда попало, а с нужным углом опережения. Больше оборотов – раньше генерим искру, меньше – позже. А что же происходит, когда давишь на газ? Элементарно – даешь мотору больше воздуха.
Мы не зря пошли плясать именно от воздуха – цепочка начинается с него. Больше воздуха измерили – больше впрыснули топлива – больше энергии выделилось – обороты увеличились(либо при тех же оборотах работаем на бОльшую нагрузку). Для регулирования потока воздуха поставим на его пути канал круглого сечения (называется дроссельный патрубок)и перекроем его круглым диском, надетым на ось, совпадающую с линией его диаметра так, что на этой оси он может поворачиваться. Поворачивая диск на оси регулируем поток воздуха – вуаля! Называется этот диск дроссельной заслонкой, управляется механически от педали газа, либо электронно (датчик на педали, исполнительный шаговик с датчиком положения на заслонке).
Вот так, в первом приближении оно все и работает.