Виды и особенности работы систем впрыска бензиновых двигателей

BMW M52

• Установлен в: BMW 3 E36/E46, 5 серии E39, 7-серии E38, Z3
• Годы производства: 1994-2000
• Объем: 1991-2793 см3
• Мощность макс.: 150-193 л.с.
• Срок годности: около 500 тысяч. км

Основные конструктивные особенности:

• – алюминиевый блок
• – двигатель цепной
• – переменные фазы газораспределения (Vanos)
• – 24 клапана
• – 6 цилиндров,
• многоточечный впрыск.

BMW

Популярен и используется во многих моделях BMW. Двигатель прочный и стойко переносит даже серьезное небрежное обращение и расходные материалы или необходимость езды на LPG. Лучший вариантом считается самая мощная, 193 л.с. версия M52B28TU объемом 2.8 л, которая появилась в модельном ряду в 1998 году. Двигатели M52 были доступны как двухлитровые (M52B20, 150 л. с.), так и моторы 2.5 (M52B25, 170 л.с.).

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ).

Впуск

По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие

После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск

При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Хорошие двигатели в Тойоте

Основой привода Toyota в течение нескольких лет (от Auris до Avensis и заканчивая RAV4) являются бензобаки серии ZR. Представленные с 2007 года — сначала в версии Dual VVT-i (переменные фазы для обоих распределительных валов), затем в версии Valvematic (плавно регулируемый подъем клапана) — они оказываются динамичными и экономичными

Важно отметить, что двигатели 1.6, 1.8 и 2.0 ZR отличаются прочной конструкцией и надежностью

Двигатель Toyota 1.6-2.0 (ZR)

Двигатели серии ZR (1.6, 1.8 и 2.0) появились в 2007 году, заменив разновидности серии ZZ, которые на первом этапе производства столкнулись с рядом проблем (включая большое сгорание масла). Первоначально это была версия Dual VVT-i, вскоре после появления Valvematic. Долговечность? Более чем удовлетворительно! Если в механике упоминаются какие-либо недостатки, они указывают на случаи повреждения водяного насоса и случаи протирки стекол толкателей (применимо только к версии 1.6 Dual VVT-i с самого начала производства).

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

• Блок цилиндров . Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.
• Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).

Газораспределительный механизм (ГРМ). Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.

Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

Замену ГРМ проводят через каждые 60000 — 90 000 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.

Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.

• Система питания . В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
• Система смазки . Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.
• Система охлаждения . Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто

А это одна из важнейших характеристик любого мотора.

Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС.

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения «Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля», на платформе ELECTUDE

Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор

Устройство ДВС

Конструктивно двигатели делят, с учетом устройства и компоновки техники, на которой они установлены. Но сохраняются неизменными принципы, одинаковые для конструкции любого ДВС.

Двигатель комплектуется такими конструктивными узлами:

• блоком цилиндров – основной частью корпуса с проемами для рабочих камер, рубашкой охлаждения (для моторов, охлаждаемых жидкостью), крепежными отверстиями для установки головок и картера, посадочными местами для коленчатого вала и прочими конструктивными элементами;
• кривошипно-шатунной группой – с коленчатым валом, к которому крепятся шатуны, приводящие в действие поршни, двигающиеся внутри цилиндров; инерция вращения поддерживается маховиком;
• газораспределительным механизмом – системой, подающей в камеры сгорания топливо-воздушную смесь, с отводом выхлопа; включает распределительный вал, клапана, приводимые в действие коромыслами, ремнем или цепью, соединенными с коленвалом;
• топливной системой – подает горючее в камеры сгорания, после обогащения воздухом; включает бак, систему трубок для подвода питающей жидкости, карбюратора или инжектора (с учетом особенностей конструктивного устройства), форсунок, насоса, фильтрующего элемента;
• смазочной системой – с подачей смазки к трущимся деталям; включает масляный насос, приводящийся коленчатым валом, систему патрубков и полостей, фильтр и поддон; предусмотрено устройство «сухого» или «мокрого» картера;
• системой зажигания – для поджигания топливно-воздушной смеси; используется только на бензиновых двигателях, поскольку на дизельных моторах топливо с воздухом воспламеняется самостоятельно, при определенном давлении;
• системой охлаждения – может быть воздушной или жидкостной, для снижения температуры корпуса мотора, чтобы предупредить износ и выход из строя элементов;
• электросистемой – источником электроэнергии, необходимой для работы мотора; включает аккумуляторную батарею, генераторный блок, стартер и проводку с датчиками;
• системой выхлопа – для удаления продуктов сгорания в атмосферу, с доочисткой этой смеси, снижением шума от работы двигателя, фильтрующим элементом.

Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.

С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:

• цилиндры могут выполняться отдельно, с запрессовкой в корпус блока, или совместно с корпусом; моноблочные системы не предусматривают восстановления, в связи с тем, что нельзя заменить гильзу;
• корпуса двигателей изготавливают из сплавов чугуна или алюминия, устойчивых к перепадам температуры и высокому давлению;
• головка блока цилиндров выполняется с ним совместно или в виде отдельной детали; при раздельном исполнении возможно использование разных материалов для головки и блока цилиндров;
• работа кривошипно-шатунного механизма может уравновешиваться балансирными валами, расположенными по сторонам от коленвала и нивелирующими влияние инерционных сил; в результате снижается вибрация и шум, исключаются перегрузки двигателя;
• негативное влияние пружин при быстрой работе двигателя с механическим газораспределительным механизмом снижается за счет десмодромной системы управления мотором – со сложной конфигурацией кулачков;
• зависание клапанов исключается легкими материалами для изготовления этих деталей и пружинных элементов, пневматическим приводом;
• альтернатива традиционной конструкции ГРМ – гильзовый способ, разработанный Найтом; предусматривает использование взамен клапанов скользящих гильз, работающих бесшумно и долговечно; этот способ перестали использовать по причинам большого расхода смазочной жидкости, с разработкой верхнеклапанной конструкции;
• ранние модели двигателей комплектовались не стартерами, а генераторами переменного тока (магнето), приводимыми в действие коленчатым валом; это требовало прокручивания вала двигателя для запуска;
• вредное воздействие на экологию выхлопных газов частично снижается каталитическим нейтрализатором, окисляющим и химически преобразовывающим выхлоп;
• электронные системы дополнительно улучшают работу двигателя; изменение фаз газораспределения изменяет нагрузку на мотор, с учетом включенной передачи, снижая потребление горючего; дезактивация цилиндров регулирует объем камер сжатия, отключая ненужные цилиндры; регулировка степени сжатия изменяет объем камер сгорания, с учетом режимов работы мотора.

Эти и другие особенности конструктивно улучшили работу двигателей внутреннего сгорания.

Основные вспомогательные системы бензинового двигателя

Системы, специфические для бензиновых двигателей

• Система зажигания — обеспечивает поджиг топлива в нужный момент. Она может быть контактной, бесконтактной или микропроцессорной. Контактная система включает в себя: прерыватель-распределитель, катушку, выключатель зажигания, свечи. Бесконтактная система включает то же самое оборудование, только вместо прерывателя стоит датчик Холла или индукционный датчик. Микропроцессорная система зажигания управляется специальным блоком-компьютером, она включает в себя датчик положения коленвала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи, датчик температуры двигателя. У инжекторного двигателя к этой системе добавляются датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха.
• Система приготовления топливовоздушной смеси — карбюратор или же инжекторная система.

Вопросы и проблемы, возникающие при обслуживании дизельного и бензинового двигателей

Учитывая «отличное» качество топлива на российских АЗС, вопрос с обслуживанием, как самостоятельным, так и на СТО, становится «во главу угла».

В этом вопросе бензиновый двигатель обладает несомненными преимуществами:

1.  Бензиновый двигатель всегда возьмутся ремонтировать в отличие от дизельного, который более сложный в устройстве.
2.  Ремонт дизеля почти всегда стоит дороже, а топливный насос высокого давления, который регулярно выходит из строя из-за плохого качества топлива вообще стоит как недорогая подержанная иномарка.
3.  Из-за особенностей конструкции, дизельный двигатель требует более частой замены масел и специальных жидкостей, нежели бензиновый.

Самыми проблемными вопросами, возникающими в процессе «кустарного» ремонта дизеля и бензина являются: у бензинового двигателя – выставление зажигания, у дизеля – выставление угла подачи топлива после замены топливного насоса высокого давления.

При этом выставить угол подачи топлива несоизмеримо тяжелее и требует профессиональных навыков.

В вопросе живучести двигателя, и, соответственно, ресурса, дизельный двигатель не оставляет ни малейшего шанса своему бензиновому оппоненту. Не зря на дорогах до сих пор можно встретить советские МАЗы, КРАЗы и тому подобную технику с дизельными двигателями с километражем под 2-3 миллиона.

Стоимость дизельного топлива сопоставима со стоимостью бензина или даже ниже

Несмотря на то что в нашей стране стоимость дизельного топлива находится на том же уровне, что и бензин, нужно отметить что во многих странах мира (в том числе и в странах Европы) стоимость дизельного топлива ниже, чем бензин. То есть помимо низкого расхода топлива владельцы дизельных автомобилей во многих странах тратят на топливо гораздо меньше чем владельцы бензиновых транспортных средств.

Но даже с учетом того что в нашей стране солярка стоит также как бензин (или даже дороже) преимущество по эффективности дизельных автомобилей очевидно. Ведь запас хода на полном баке дизельного топлива намного больше чем в том же автомобиле оснащенном бензиновым силовым агрегатом. 

Причины стука дизельного двигателя

Стук сам по себе – следствие удара одного элемента о другой. Самые распространенные причины стука дизеля следующие:

Стуки распределительного вала

Отличительной чертой неполадок распределительного вала является глуховатый стук дизеля на холодную. После прогрева двигателя на подшипники поступает масло и стук уходит. В таком случае можно говорить о существенном износе валовых подшипников. Он вызван наличием в моторном масле всевозможных примесей, которые в ходе работы приводят к появлению царапин на валу. Если эту проблему не устранить, то в дальнейшем стук будет распространяться и на прогретый мотор.

Стуки коленчатого вала

Стук коленвала возникает по причине износа шеек или вкладышей и увеличения расстояния в подшипниках. Это приводит к снижению качества работы моторного масла и недостатку смазочной жидкости на подшипниках, а также попаданию воды или антифриза в масле и деформации шеек коленчатого вала.

Неисправность форсунки, заклинивание иглы в распылителе, а также неисправность топливного насоса высокого давления (ТНВД)

Постукивание плунжера (поршня цилиндрической формы с длиной, превышающей его диаметр) ТНВД вызвано низким качеством дизельного топлива, при этом возможен стук дизеля на холостых оборотах и при их добавлении. Кроме того, шумы топливного насоса могут появляться совершенно неожиданно, во время движения.   

Сбой фаз распределения

Как правило, такая «клиническая картина» проявляется тогда, когда длина поршня недостаточная для того, чтобы достать до клапанов. Это вызывает сбои в работе, и, как следствие, – характерный стук.

Стук дизельных форсунок

«Фирменным» источником стука дизельного двигателя могут быть форсунки. Дизельная форсунка представляет собой один из главных элементов системы питания дизельного двигателя. Форсунка (инжектор) обеспечивает прямую подачу солярки в камеру сгорания дизеля, а также дозирование подаваемого топлива с высокой частотой (более 2 тыс. импульсов в минуту). Инжектор осуществляет эффективный распыл горючего в пространстве над поршнем. Топливо в результате такого распыла получает форму факела. Форсунки отличных друг от друга систем топливоподачи имеют конструктивные особенности, различаются по способу управления. Инжекторы делят на две группы: механические и электромеханические.

Стук дизельной форсунки обычно хорошо различим: он похож на стрекот или цокание, исходящее из верхней части двигателя. Стук раздается буквально из-под декоративной (шумозащитной) крышки двигателя, если она присутствует. Также распознать цокание форсунки можно, схватившись за ее топливопровод. После прикосновения к топливопроводу будет ощущаться вибрирующий стук, «приходящий» со стороны двигателя.

Управление

Обычно работой карбюратора управляет водитель автомобиля. На некоторых моделях карбюраторов использовались дополнительные системы, частично автоматизировавшие управление им.

Для управления дроссельной заслонкой на автомобилях обычно используется педаль газа. Она может приводить её в движение при помощи системы тяг или тросового привода. Тяги в целом надёжнее, но конструкция привода получается сложнее и ограничивает возможности конструктора по компоновке подкапотного пространства. Привод тягами широко использовался в прежние годы, но начиная с 1970-х годов получила распространение система с металлическим тросиком. Системы с пневмо- или электромеханическим приводом распространения на карбюраторных двигателях не получили.

На старых автомобилях часто предусматривалась двойная система привода дроссельной заслонки карбюратора: от руки, рычажком или вытяжной рукояткой («постоянный газ»), и от ноги — педалью. Ручное и ножное управления связывалось между собой так, что при нажатии на педаль рукоятка ручного управления остаётся неподвижной, а при её вытягивании педаль опускается. Дальнейшее открытие дросселя можно было производить педалью. При отпускании педали дроссель остаётся в положении, установленном ручным управлением. Например, на «Волге» ГАЗ-21 на панели приборов справа от радиоприёмника была расположена рукоятка ручного управления дроссельной заслонкой, дублирующая педаль газа. Вытянув её, можно было добиться устойчивой работы холодного двигателя без использования воздушной заслонки, или использовать для установления «постоянного газа». На грузовых автомобилях режим «постоянного газа» служил в частности для упрощения движения задним ходом.

На мотоциклах и некотором числе автомобилей применяется ручное управление дросселем, осуществляемое специальной рукояткой на руле через тросик.

Воздушная заслонка может иметь механический или автоматический привод. В первом случае её закрывает водитель при помощи рукоятки, размещённой обычно на панели приборов. Автоматический привод широко применялся за границей, а в практике отечественного автопрома распространения практически не получил ввиду низкой надёжности, недолговечности и ненадёжной работы при характерных для климата большей части территории СССР/России больших перепадах температур. В этом случае воздушную заслонку закрывал биметаллический или церезиновый термоэлемент, обогреваемый жидкостью из системы охлаждения. По мере прогрева двигателя, термоэлемент нагревался, расширялся и открывал воздушную заслонку. В иных системах использовался электромеханический привод с датчиком температуры. Из отечественных автомобилей, такое пусковое устройство имели только карбюраторы отдельных моделей ВАЗ.

Очень широко распространён полуавтоматический привод воздушной заслонки. В этом случае она закрывается водителем вручную, а после пуска двигателя автоматически приоткрывается диафрагмой, работающей от возникающего во впускном коллекторе двигателя разрежения. Это предотвращало возможную остановку двигателя из-за переобогащения рабочей смеси и несколько снижало расход топлива на прогрев. Пусковую диафрагму имели практически все отечественные карбюраторы, разработанные после начала 1960-х годов. До этого некоторые модели использовали менее совершенный кулачковый механизм, немного приоткрывавший дроссельную заслонку при закрывании воздушной.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход

Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск

Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Гибридный двигатель или гибридная силовая установка

В результате многочисленных поисков была создана гибридная силовая установка. Такая установка состоит из электромоторов и обычного двигателя внутреннего сгорания. За счёт применения управляющей электроники все рабочие процессы максимально оптимизированы, что позволило сделать работу гибридной установки экономичной и экологичной, без потери динамических параметров автомобиля.

Как уже упоминалось выше, все двигатели предназначены для создания крутящего момента, который в дальнейшем передаётся трансмиссией на ведущие колёса. Принцип работы электродвигателя должен быть вам известен из школьного курса физики. Поэтому ниже рассмотрим только принцип работы двигателей внутреннего сгорания, который, в целом, одинаков для бензинового, дизельного и газового моторов.

Коэффициент полезного действия | Физика

Используя тот или иной механизм, мы совершаем работу, всегда превышающую ту, которая необходима для достижения поставленной цели. В соответствии с этим различают полную или затраченную работу A_з и полезную работу A_п. Если, например, наша цель — поднять груз массой m на высоту h, то полезная работа — это та, которая обусловлена лишь преодолением силы тяжести, действующей на груз. При равномерном подъеме груза, когда прикладываемая нами сила равна силе тяжести груза, эта работа может быть найдена следующим образом:

    A_п = F_тh = mgh.      (24.1)

Если же мы применяем для подъема груза блок или какой-либо другой механизм, то, кроме силы тяжести груза, нам приходится преодолевать еще и силу тяжести частей механизма, а также действующую в механизме силу трения. Например, используя подвижный блок, мы вынуждены будем совершать дополнительную работу по подъему самого блока с тросом и по преодолению силы трения в оси блока. Кроме того, выигрывая в силе, мы всегда проигрываем в пути (об этом подробнее будет рассказано ниже), что также влияет на работу. Все это приводит к тому, что затраченная нами работа оказывается больше полезной:

A_з > A_п

Полезная работа всегда составляет лишь некоторую часть полной работы, которую совершает человек, используя механизм.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет полезная работа от всей затраченной работы, называется коэффициентом полезного действия механизма.

Сокращенное обозначение коэффициента полезного действия — КПД.

Чтобы найти КПД механизма, надо полезную работу разделить на ту, которая была затрачена при использовании данного механизма.

Коэффициент полезного действия часто выражают в процентах и обозначают греческой буквой η (читается «эта»):

    η =* 100%    (24.2)

Поскольку числитель A_п в этой формуле всегда меньше знаменателя A_з, то КПД всегда оказывается меньше 1 (или 100%).

Конструируя механизмы, стремятся увеличить их КПД. Для этого уменьшают трение в осях механизмов и их массу. В тех случаях, когда трение ничтожно мало и используемые механизмы имеют массу, пренебрежимо малую по сравнению с массой поднимаемого груза, коэффициент полезного действия оказывается лишь немного меньше 1. В этом случае затраченную работу можно считать примерно равной полезной работе:

    A_з ≈ A_п     (24.3)

Следует помнить, что выигрыша в работе с помощью простого механизма получить нельзя.

Поскольку каждую из работ в равенстве (24.3) можно выразить в виде произведения соответствующей силы на пройденный путь, то это равенство можно переписать так:

    F₁s₁ ≈ F₂s₂     (24.4)

Отсюда следует, что,

выигрывая с помощью механизма в силе, мы во столько же раз проигрываем в пути, и наоборот.

Этот закон называют «золотым правилом» механики. Его автором является древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший в I в. н. э.

«Золотое правило» механики является приближенным законом, так как в нем не учитывается работа по преодолению трения и силы тяжести частей используемых приспособлений. Тем не менее оно бывает очень полезным при анализе работы любого простого механизма.

Так, например, благодаря этому правилу мы сразу можем сказать, что рабочему, изображенному на рисунке 47, при двукратном выигрыше в силе для подъема груза на 10 см придется опустить противоположный конец рычага на 20 см. То же самое будет и в случае, изображенном на рисунке 58. Когда рука человека, держащего веревку, опустится на 20 см, груз, прикрепленный к подвижному блоку, поднимется лишь на 10 см.

1. Почему затраченная при использовании механизмов работа оказывается все время больше полезной работы? 2. Что называют коэффициентом полезного действия механизма? 3. Может ли КПД механизма быть равным 1 (или 100%)? Почему? 4. Каким образом увеличивают КПД? 5. В чем заключается «золотое правило» механики? Кто его автор? 6. Приведите примеры проявления «золотого правила» механики при использовании различных простых механизмов.

Карбюраторные и инжекторные двигатели

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (система рециркуляции выхлопных газов).