Varikliai

TURINYS

ISTORIJA 3

VARIKLIŲ PARAMETRAI 3

ARKLIO JĖGA 3

SUKIMO MOMENTAS 4

VIENAEILIAI VIDAUS DEGIMO STŪMOKLINIAI VARIKLIAI. 4

DVIEJŲ CILINDRŲ LINIJINIS VARIKLIS 4

TRIJŲ CILINDRŲ LINIJINIS VARIKLIS 5

KETURIŲ CILINDRŲ LINIJINIS 5

OPOZICINIS VARIKLIS 6

PENKIŲ CILINDRŲ LINIJINIS VARIKLIS 7

ŠEŠIŲ CILINDRŲ LINIJINIS VARIKLIS 8

V FORMOS VIDAUS DEGIMO STŪMOKLINIAI VARIKLIAI. 8

4 CILINDRŲ V FORMOS 8

6 CILINDRŲ V FORMOS 9

8 CILINDRŲ V FORMOS 9

10 CILINDRŲ V FORMOS 9

12 CILINDRŲ V FORMOS 10

14 PAV. 10

W FORMOS VIDAUS DEGIMO STŪMOKLINIAI VARIKLIAI. 10

8 CILINDRŲ W FORMOS 10

12 CILINDRŲ W FORMOS 10

ROTORINIAI VARIKLIAI. 11

ŠALTINIAI 12

Istorija

Viskas prasidėjo 1744 kai James‘as Watt‘as paleido savo pirmąjį garo variklį Soho dirbtuvėse, Anglijoje. Tai buvo ekonomikos ir žmogaus civilizacijos vystymosi pradžios variklis, kuris ddavė atspyrį tolimesniam progresui.

Deja garo variklis sunaudojo tik apie 10% degimo metu išskiriamos energijos, tad žmonies reikėjo efektyvesnio energijos panaudojimo būdo. Čia buvo prisiminta 1680 metais Huyghens‘o ir Papin‘so pirmieji vidaus degimo variklio bandymai su paraku. Neužilgo po garo variklio pasisekimo, 1807 metais Francois Isaac de Rivaz sukuria pirmą automobili su vidaus degimo variklį ,bet deja jo išradimas buvo labai nesekmingas. 1858 metais Jean Joseph Etienne Lenoir sukūrę elektrinį kuro uždegimą. 1864 Siegfried Marcus sukurė mašiną kuri galėjo vvažiuoti 10 mylių per valandą greičiu. Veliau prie variklių tobulinimo labai prisidėjo Gottlieb Daimler ir Karl Benz bei Wilhelm Maybach kuris pirmasis sukūrė keturių cilindrų variklį .

Variklių parametrai

Arklio jėga (kW)

Variklio galia nusakoma keletu pagrindinių parametrų. Galia, kuria matuojama arklio ggaliomis arba kilovatais ir sukimo momentu.

Tarkime, turime vieno Niutono (N) svorio kūną, pritvirtintą prie grindų. Kokia jėga mes bekeltume (1, 10 ar 50 N), t.y. kiek energijos bevartotume, darbas nebus atliktas, kadangi kūnas pritvirtintas. Jei kūną išlaisvintume, ir panaudotume jėgą, įgalinančią pakelti 1 Niutono svorio kūną į 1 metro aukštį, būtų atliktas 1 N•m darbas. Jei šis veiksmas užtruktų vieną sekundę, darbas būtų atliktas 1 N•m/s greičiu. Jei veiksmo trukmė būtų 0,1 s, darbas būtų atliktas 10 N•m/s greičiu ir t.t.

Norint šį palyginimą pritaikyti automobiliui, reikia išskirti tris kintamuosius: jėgą, darbą ir laiką.

Prisiminkime praeitį. Škotų inžinierius Dž. Vatas (1736-1819) pastebėjo, kad vidutinis tų laikų arklys galėjo traukti 2449,6 N (550 svarų) krovinį 0,3 m/s (1 ft/s) greičiu, ddarbą atlikdamas 746,625 N•m/s (33.000 lbs•ft/min) greičiu maždaug 8 valandas. Savo pastebėjimus jis viešai paskelbė, pareikšdamas, kad 746,625 N•m/s (W) galia yra ekvivalenti vieno arklio galiai (AG).

1 AG = 746,625 W = 0,747 kW

1 kW = 1,339 AG

Svarbiausia suprasti, kad niekas realiai negali išmatuoti veikiančio variklio galios. Paprastai dinamometriniu stendu mes galime išmatuoti tiktai jėgos momentą, matuojamą niutonmetrais (N•m), arba pvz. JAV – svarais-pėdom (lbs•ft). Tik išmatavę sukimo momentą galėsime apskaičiuoti galią, sukimo momento jėgą išreikšdami galios matavimo vvienetais. Mūsų atveju – turime išmatuoti jėgą nuo besisukančių dalių (alkūninio veleno), t.y. sukimo jėgos momentą. 1 N•m jėgos momentas – tai jėga, reikalinga išlaikyti 1 N svorio krovinį, pakabintą ant horizontalaus besvorio sverto, 1 m atstumu nuo atramos taško.

Įsivaizduokime, kad turime minėtą 1 Niutono (N) krovinį, pakabintą ant besvorio sverto per 1 metrą nuo atramos taško (sukimosi centro). Jei mes prasuksime krovinį visą apsisukimą, esant 1 N pasipriešinimo jėgai, mes nueisime 6,2832 m (2π) kelią ir atliksime 6,2832 N•m darbą.

Prisiminkime Dž. Vatą. Jis sakė, kad 746,6 N•m/s arba 44797,5 N•m/min galia tolygi vienai arklio galiai. Jei mes padalinsime 44797,5 N•m darbą iš 6,2832 N•m darbo, padaryto per vieną krovinio apsisukimą, prieisime išvados, kad 1 N•m sukimo momentas prie 7130 aps/min lygus 44797,5 N•m/min galiai, t.y. 1 AG. Jei mes krovinį suksime 3565 aps/min greičiu, gausime, kad galia lygi 0,5 AG ir t.t. Galime išvesti formulę, AG skaičiavimui iš N•m:

AG = N•m × rpm

Sukimo momentas

Bet kuris automobilio, riedančio bet kuria pavara pagreitis atitiks sukimo momento kreivę (jei nepaisysime oro pasipriešinimo ir riedėjimo trinties). Kitaip sakant, išvystomas pagreitis bus didžiausias, kai sukimo momentas bus kreivės viršūnėje, nesvarbu kuri pavara bus įjungta. Sukimo momentas yra vienintelis galios parametras, kurį vvairuotojas gali jausti. Arklio jėgos – tai tik neaiškus panašaus konteksto dydis. 100 N•m sukimo momentas prie 2000 aps/min išvystys tokį pat pagreitį, kaip ir prie 4000 aps/min, jei sukimo momento reikšmė bus tokia pati. Pagal formulę, pats galingumas prie 4000 aps/min padvigubės.

Taigi, arklio jėgos iš dalies nėra tokios svarbios. Galios (arklio jėgomis) ir sukimo momento (niutonmetrais) skaitinės vertės susilygina prie 7130 aps/min.

Priešingai sukimo momento kreivei, AG kreivė greitai kyla kartu su variklio sukimosi dažniui, ypač kai sukimo momento kreivė dar nebūna pasiekusi piko. Net kai pastaroji jau leidžiasi žemyn, galios kreivė vis dar kyla, kol kyla variklio apsukos. AG kreivė pradeda leistis, kai sukimo momento kreivė pradeda „smigti“ greičiau, nei kyla apsukos. Ir net kai galia pasiekia savo piką, vairuotojas to nejaučia, kadangi sukimo momento reikšmė jau gerokai sumažėjusi.

Vienaeiliai vidaus degimo stūmokliniai varikliai.

Dviejų cilindrų linijinis variklis

1 pav. Fiat 500 variklis (469 cm³)

Vieno cilindro variklio degimo taktas vyksta kas antrą apsisukimą. Dviejų cilindrų variklyje – dvigubai dažniau – kiekvieną apsisukimą (kas 360°). Tokiame variklyje abu stūmokliai juda sinchroniškai, ta pačia kryptimi. Reiškia, lyginant su vienacilindriais varikliais, sukeltos vibracijos padvigubės. Dominuojanti vibracijų kryptis taip pat bus aukštyn-žemyn.

Tai sunkiausiai išbaigiama variklio konstrukcija. Tokius variklius turėjo pigūs praeities automobiliai, ttokie kaip Fiat 128, pirmieji Fiat Cinquecento, Honda Today ir t.t. Šiais laikais toks variklio tipas yra visiškai išstumtas trijų cilindrų ir keturių cilindrų mini variklių.

Trijų cilindrų linijinis variklis

2 pav. Trijų cilindrų variklio konfigūracija

Degimo taktas kartojasi alkūniniam velenui pasisukus 240°. Alkūninio veleno konfigūracija parodyta paveikslėlyje. Cilindrų uždegimo tvarka yra 1-3-2.

Atrodytų, nėra skirtumo į kurią pusę suksis alūninis velenas – visų trijų stūmoklių ir švaistiklių svorio centras lieka toje pačioje vietoje, reiškia vibracijos turėtų nepasireikšti. Matematinė analizė taip pat parodo, kad neturi pasireikšti nei vertikali, nei skersinė vibracija. Bet kodėl tada trijų cilindrų varikliui reikalingas balansinis velenas?

Esmė yra ta, kad atliekant skaičiavimus, variklis laikomas vienu tašku – tokiu atveju visos inercinės jėgos viena kitą kompensuoja. Realus variklis yra tūrinis įrenginys, jame inercinės jėgos veikia skirtinguose taškuose. Todėl ne visos vibracijos kompensuojamos. Jos išlieka abiejuose variklio galuose.

3 pav. Vibracija variklio galuose (čia pavaizduotas V6 variklis)

Sunku įsivaizduoti? Pažvelkite į 2 pav., kur pavaizduotas variklis iš šono. Stūmoklis 1 dabar yra viršuje ir yra pakeliui į apačią. Šiame alkūninio veleno gale pasireiškia jėga, nukreipta į viršų. Stūmoklis 2 taip pat keliauja į apačią – alkūninio veleno vidurinėje dalyje pasireiškia jėga, nukreipta į

viršų. Stūmoklis 3 kyla į viršų, taigi dešinioji alkūninio veleno dalyje pasireiškia jėga, nukreipta į apačią. Variklio svorio centras yra ties antruoju cilindru, todėl kairioji variklio dalis stumiama į viršų, o dešinioji – į apačią. Centrinė dalis išlieka stabili, Alkūniniam velenui pasisukus 180° kampu, situacija tampa priešinga. Varikliui sukantis, šios jėgos sukelia vibraciją variklio galuose (angl. end-to-end vibration, žr. 3 pav.).

Keturių cilindrų linijinis ir opozicinis varikliai

4 pav. Keturių cilindrų linijinio variklio konfigūracija

5 pav. Opozicinis variklis

6 pav. Linijinis variklis

7 ppav. Du balansiniai velenai keturių cilindrų linijiniame variklyje

Lyginant su trijų cilindrų varikliais, šie varikliai labai skiriasi savo vibracijomis. 4 pav. pavaizduotas linijinis keturių cilindrų variklis. Degimo taktas vyksta kas 180°. Stūmokliai juda poromis – 2 kraštiniai ir 2 viduriniai stūmokliai vienu metu būna toje pačioje vietoje. Toks sprendimas leidžia išvengti trijų cilindrų varikliams būdingos vibracijos galuose.

Kaip gi su vertikalia vibracija? Atrodytų, kad pirmajam cilindrui balansinę atsvarą duoda antrasis, o trečiajam – ketvirtasis. Teisingai, tačiau atlikę matematinius skaičiavimus, pastebime, kkad antrinės jėgos čia nėra labai silpnos. Jos pasireiškia dvigubai didesniu dažniu, nei sukasi alkūninis velenas. Kad suprastume kodėl taip yra, palyginkime opozicinį variklį su keturių cilindrų linijiniu.

Opozicinis variklis

(žr. 5 pav.), Nepriklausomai nuo cilindrų skaičiaus (jų skaičius turi bbūti porinis), yra geriausiai išbalansuota variklinė konstrukcija. Kiekvieno stūmoklio porinis stūmoklis yra tarsi atsvara pirmajam. Kiekvienos poros inercinės jėgos tarpusavyje kompensuojasi ir vibracijos beveik nepasireiškia. Tačiau šie varikliai yra platūs, jų gamyba brangi. Opoziciniai varikliai sutinkami Subaru ir Porsche automobiliuose.

Linijiniame variklyje (6 pav.) alkūniniam velenui pasisukus tam tikru kampu, stūmoklis, esantis viršuje, nuvažiuoja kelią b, tuo pačiu stūmoklis, esantis apačioje, nuvažiuoja kelią a. Vertikalios jėgos yra nuvažiuoto kelio, masės ir laiko rezultatas, todėl viršuje jos bus didesnės. Šių jėgų skirtumą vadinkime antrinėmis jėgomis.

Sprendimas – du balansiniai velenai. Kuo didesnė stūmoklio eiga, tuo sunkesnis stūmoklis ir švaistiklis, tuo daugiau antrinių jėgų, sukeliančių vibraciją. Automobilių gamintojai mėgsta keturių cilindrų linijinį variklį dėl kompaktiškumo ir gamybos pigumo. Iki 2 litrų darbo ttūrio keturių cilindrų varikliuose vibracijos nėra labai didelės, tačiau didesnio tūrio varikliai gamintojams kėlė rūpesčių. Variklių inžinieriai, siekdami sumažinti vibracijas ėjo skirtingais keliais: vieni kūrė masyvesnius variklio blokus, hidraulines pagalves ir išlengvintus stūmoklius, kiti pradėjo montuoti balansinius velenus.

Balansinį veleną išrado britų inžinierius Frederikas Lančesteris (Frederick Lanchester) XX a. pradžioje. Mitsubishi įsigijo patentą masinei produkcijai ir 1976 m. panaudojo automobiliui Mitsubishi Colt Celeste 2000. Vėliau Fiat grupė balansinius velenus panaudojo Lamda variklių serijai, įskaitant ir 1.6 litro darbinio tūrio Lancia DDelta HF Turbo, 2 litrų Fiat Croma Turbo ir Lancia Thema Turbo. Balansiniai velenai sėkmingai panaudoti ir SAAB 9000 bei Porsche 944 linijiniuose varikliuose. Visi šie gamintojai licenzijas įsigijo iš Mitsubishi.

Kovai su antrinių jėgų keliama vibracija naudojami du balansiniai velenai, besisukantys priešingomis kryptimis ir dvigubai didesniu greičiu už alkūninį veleną. Balansiniai velenai išdėstyti skirtingose variklio bloko pusėse, vienas vos aukščiau alkūninio veleno ašies, antras – daug aukščiau (žr. 7 pav.). Teisingai apskaičiuoti svoriai visiškai nuslopina vibracijas ir variklis sukasi itin tolygiai.

Kodėl naudojami du balansiniai velenai vietoje vieno masyvesnio? Todėl, kad keturių cilindrų varikliuose antrinių jėgų sukeltos vibracijos yra vertikalios. Vienas balansinis velenas sugertų vertikalias vibracijas, tačiau sukeltų šonines. Du velenai, sukdamiesi į skirtingas puses kompensuoja vienas kito sukeliamas šonines ir variklio keliamas vertikalias vibracijas.

Penkių cilindrų linijinis variklis

8 pav. Penkių cilindrų linijinis variklis

Šios konfigūracijos varikliai nėra labai paplitę. XX a. 9-10 dešimtmetyje juos naudojo Audi (1.9 – 2.3 ltr.), Honda (Acura TL), Volvo (2.0, 2.3 turbo ir 2.4), Fiat grupė (2.0 ir 2.4 Super Fire serija). Mercedes gamino penkių cilindrų dyzelius. Nepaisant penkių cilindrų nepopuliarumo, ši konfigūracija turi savų privalumų. Pirma, penkių cilindrų varikliai užpildo spragą tarp keturių cilindrų ir šešių cilindrų variklių, tuo leidžiant išnaudoti optimalų ccilindrų skaičių planuojamam darbiniam tūriui. Antra, lyginant su keturių cilindrų varikliais, užtenka tik vieno balansinio veleno. Trečia, lyginant su šešių cilindrų varikliais, jis pakankamai trumpas, kad galima būtų pasirinkti skersinę variklio komponuote priekiniais ratais varomiems automobiliams. Galiausiai, šį variklį galima projektuoti moduliniu būdu – perdaryti keturių arba šešių cilindrų variklį, pridedant arba atimant po vieną cilindrą ir pakeičiant alkūninį veleną. Taip galima sutaupyti nereikalingų investicijų kuriant iš esmės naują variklį, greičių dėže ir visus kitus prie variklio jungiamus agregatus. Tokią modulinę konstrukciją naudoja Fiat, Mercedes ir Volvo.

Penkių cilindrų variklyje degimo taktas kartojasi kas 144°. Alkūninis velenas parodytas 8 pav. Uždegimo tvarka – 1-3-5-4-2.

Matematinė analizė parodo, kad pirminės ir antrinės jėgos tarpusavyje yra subalansuotos ir dviejų balansinių velenų, kaip dideliuose keturių cilindrų varikliuose, nereikia. Tačiau čia pasireiškia vibracija variklio galuose (kaip ir trijų cilindrų varikliuose), nes 1 stūmoklio judėjimas nesutampa su 5, o 2 – su 3.

Sprendimas – balansinis velenas. Čia naudojamas toks pat balansinis velenas, kaip ir trijų cilindrų varikliuose. Svoriai juda į priešingą pusę stūmokliams, velenas sukasi alkūninio veleno greičiu.

Ar galima priversti penkių cilindrų variklį dirbti taip tolygiai, kaip šešių cilindrų? Ne. Dėl konstrukcinių ypatumų, balansinis velenas negali būti montuojamas idealiausioje vietoje – virš arba ppo alkūniniu velenu. Jis montuojamas šone, kiek įmanoma arčiau alkūninio veleno ašies ir tai trukdo visiškai sugerti vibracijas.

Šešių cilindrų linijinis variklis

9 pav. Šešių cilindrų linijinis variklis

Kaip matote 9 pav., šešių cilindrų linijinis variklis sudarytas iš dviejų simetriškai sujungtų trijų cilindrų variklių. Taigi, 1 stūmoklis juda kartu su 6, 2 – su 5, 3 – su 4. Taigi vibracijos variklio galuose klausimas išsisprendžia savaime, todėl balansinio veleno tokiam varikliui nereikia.

O kaip gi vertikalios ir šoninės vibracijos? Kaip ir trijų cilindrų varikliuose, vertikalias ir šonines jėgas sukelia kiekvienas stūmoklis atskirai. Nepriklausomai nuo to ar pirminės, ar antrinės jėgos atsiranda, jos viena kitą kompensuoja. Suminė vibracija artima nuliui, todėl linijinis šešių cilindrų variklis, kaip ir opozicinis, yra laikomas idealia konstrukcija.

Kalbant apie idealias konstrukcijas, šešių cilindrų vienaeilis nėra vienintelis geriausias variantas, tačiau kompaktiškiausiu galima pavadinti. Aukščiau aptarti opoziciniai varikliai yra platūs, reikalauja dvigubo variklio bloko, dviejų variklio galvučių, sudvejintos vožtuvų pavaros. V12 varikliai taip pat idealiai subalansuoti, tačiau išeina už kasdieninio naudojimo ribų – jie didelių gabaritų, sunkūs,brangūs, todėl sutinkami tik antikvariniuose automobiliuose arba brangiausiose mašinose. Kad vienaeilė „šešiukė“ yra optimaliausia konstrukcija, inžinieriai žinojo jau seniai, todėl šios konstrukcijos variklius galima sutikti klasikiniuose Rolls

Royce, Bentley, Mercedes, Bugatti, Jaguar ir BMW modeliuose.

V formos vidaus degimo stūmokliniai varikliai.

4 cilindrų v formos

10 pav.

Mažai kur sutinkamas variantas, nes labai sudėtingas variklio išpildymas, taipogi neracionalus vietos paskirstymas tokiems galingumams. Dabar beveik nepasitaikantis variantas.

6 cilindrų

11 pav.

Galingas V6 benzininis variklis išvysto didelę galią ir daro didelį įspūdį: maksimalus jo sukimo momentas dažnai siekia virš 300 Nm esant.

8 cilindrų v formos

12 pav.

Tai vienas iš populiariausių variklių montuojamų į sportinius arba labai prabangius automobiliuose.

10 cilindrų v formos

13 pav.

V10 variklių ggamos geriausias pavyzdys galetų būti naujausias vw v10 dyzelinis agregatas, pasiekiantis

įspūdingą 313 AG (230 kW) galią ir vartoja stebėtinai mažai degalų. V10 TDI – galingiausias dyzelinis variklis iš visų, kurie kada nors buvo montuojami serijiniuose lengvuosiuose automobiliuose. 10 cilindrų, 230 kW galia ir 750 Nm sukimo momentas – automobilis pagreitėja nuo 0 iki 100 km/h per 7,8 sek. ir pasiekia 225 km/h didžiausią greitį.

12 cilindrų v formos

14 pav.

Šis motoras būna tik galingiausiose mašinose.

W formos vidaus degimo stūmokliniai vvarikliai.

8 cilindrų w formos

15 pav.

Šią technologiją gerai įsisavinusi yra Vokietijos automobilių gamintoja Volkswagen.

Tai tarsi du v4 varikliai sudėti vienas šale kito 72 laipsnių kampu

12 cilindrų w formos

]

16 pav.

Labai galingas variklis, gali pasiekt net virš 400 arklio jėgų.

Rotoriniai vvarikliai.

Rotorinis variklis, tai vidaus degimo variklis, visai kaip ir variklis jūsų automobilyje, tik jis veikia kitaip, nei įprastinis su stūmokliais.

17 pav.

Šioje nuotraukoje gerai matomas rotorius. Šis variklis yra iš automobilio Mazda RX–7, visos šios dalys pakeičia tokias tradicinio variklio detales kaip stūmokliai, švaistikliai, cilindrai, vožtuvai, ir paskirstymo velenėlis.

Mazda buvo pionierius automobiliu su rotoriniais varikliais gamyboje. Modelis RX-7, kuris pardavime pasirodę 1978 metais, buvo turbūt sakmingiausias automobilis su rotoriniu varikliu. Rotoriniai varikliai plačiai buvo taikomi sunkvežimiuose, autobusuose pradedant nuo 1967 Cosmo Sport. Paskutine RX-7 Jungtinėse Amerikos Valstijose buvo parduota 1995 metais. Automobiliai su rotoriniais varikliais kaip planuojama, rinkoje vėl pasirodė 2003 metais.

2001 metais automobilių parodose pasirodė koncepcinis RX-8 modelis, su rotoriniu varikliu pavadintu RENESIS. Šis, dvigubas rotorinis variklis iišvystys apie 250 AG galia.

Stūmokliniame variklyje, toje pačioje kameroje (cilindre), iš eiles vyksta keturi procesai – įsiurbimas, suspaudimas, degimas ir išmetimas. Rotorinis variklis taip pat atlieka šiuos keturis darbus, bet kiekvienas ju vyksta tik tam tikroje kameros vietoje. Tai tarsi turėti atskira cilindrą kiekvienam darbui, su stūmokliu judančiu per visus tuos keturis cilindrus.

Kaip ir stūmoklinis variklis, rotorinis naudoja slegi, sukurta oro ir kuro mišinio degimo metu. Stūmokliniame variklyje spaudimas cilindre verčia stūmokli judėti aukštyn ir žemyn, per ššvaistikli, alkūnini veleną šis stūmokliu judėjimas varo automobili.

Rotoriniame variklyje, slėgis veikia sandarioje erdvėje tarp trikampio rotoriaus ir vidines kameros sienelių, visai kaip stūmokliniame variklyje tarp stūmoklio ir cilindro sienelių. Rotorius keliauja variklio kameroje tam tikru menamu takeliu taip, kad trys rotoriaus viršūnes visada liečiasi su vidines kameros sienelėmis, taip sukuriamos trys atskiros, sandarios erdves – kameros.

Kai rotorius sukasi vidinėje kameroje, kiekviena iš trijų susidariusiu kamerų, tam tikra tvarka padidėja ir sumažėja. Toks kameros tūrio sumažėjas ir padidėjimas įsiurbia kuro ir oro mišinį suspaudžia ji, o mišiniui degant padidėjęs slėgis naudojamas kaip varomoji jėga. Rotorinis variklis ( ji sukurė Felix’as Wankel’is) dažnai vadinamas Wankel varikliu, arba Wankel rotoriniu varikliu.

Šaltiniai

http://www.rustyiron.com

http://inventors.about.com

http://klubas.autos.lt/

http://www.vw.lt

http://www2.zr.ru/

http://www.avtomarket.ru/