Основные характеристики двигателя

Двигатель внутреннего сгорания: характеристика

Любой автомобилист сталкивался с двигателем внутреннего сгорания. Этот элемент установлен на всех старых и современных автомобилях. Конечно, по конструктивным особенностям они могут отличаться друг от друга, но почти все работают на одном принципе — топливо и сжатие.

Статья расскажет все, что необходимо знать о двигателе внутреннего сгорания, характеристиках, конструктивных особенностях, а также поведает о некоторых нюансах эксплуатации и технического обслуживания.

Что такое ДВС

ДВС — двигатель внутреннего сгорания. Именно так, и ни как иначе, расшифровывается данная аббревиатура. Ее часто можно встретить на разных автомобильных сайтах, а также форумах, но как показывает практика, не все люди знают этому расшифровку.

Что такое ДВС в автомобиле? — Это силовой агрегат, который приводит в действие движение колес. Двигатель внутреннего сгорания — это сердце любого автомобиля. Без этой конструктивной детали машину нельзя назвать авто. Именно этот агрегат приводит все в действие, все остальные механизмы, а также электронику.

Мотор состоит из ряда конструктивных элементов, которые могут отличаться в зависимости от числа цилиндров, системы впрыска и других немаловажных элементов. У каждого производителя свои нормы и стандарты силового агрегата, но все они между собой похожи.

История происхождения

История создания двигателя внутреннего сгорания началась более 300 лет назад, когда первый примитивный чертеж сделал Леонардо ДаВинчи. Именно его разработка положила основу созданию двигателю внутреннего сгорания, устройство которого можно наблюдать на любой дороге.

В 1861 году по чертежу ДаВинчи был сделан первый проект двухтактного мотора. Тогда еще не шла речь об установке силового агрегата на автомобильный проект, хотя паровыми ДВС уже активно пользовались на железной дороге.

Первым, кто разработал устройство автомобиля, и внедрим массово двигатели внутреннего сгорания — был легендарный Генри Форд, чьи автомобили до этого времени, пользуются огромной популярностью. Он же первый выпустил книгу «Двигатель: его устройство и схема работы».

Генри Форд был первым, кто начал вычислять такой полезный коэффициент, как КПД двигателя внутреннего сгорания. Этот легендарный человек считается прародителем автомобилестроения, а также части авиапромышленности.

В современном мире, нашлось широкое применение ДВС. Они оснащаются не только в автомобили, но авиация, а благодаря простоте конструкции и обслуживания устанавливается на многие виды транспортных средств и как электрогенераторы переменного тока.

Принцип работы двигателя

Как работает двигатель автомобиля? — Этим вопросом задаются многие автомобилисты. Постараемся дать максимально полный и сжатый ответ на этот вопрос. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на двух факторах: впрыске и моменте сжатия. Именно основываясь на этих действиях мотор, приводит все в действие.

Если рассматривать, как работает двигатель внутреннего сгорания, то стоит понимать, что существуют такты, которые разделяют агрегаты на однотактный, двухтактный и четырехтактный. В зависимости от того, куда устанавливается ДВС, так и различают такты.

Современные автомобильные двигатели оснащаются четырехтактными «сердцами», которые идеально сбалансированные и отлично работают. А вот однотактные и двухтактные моторы обычно устанавливаются на мопеды, мотоциклы и прочую технику.

Итак, рассмотрим ДВС и его принцип работы, на примере бензинового двигателя:

1. Топливо попадает в камеру сгорания, через систему впрыска.
2. Свечи зажигания дают искру и топливно-воздушная смесь воспламеняется.
3. Поршень, который находится в цилиндре, уходит вниз под давлением, чем приводит в движение коленчатый вал.
4. Коленвал передает движение через сцепление и коробку передач на ведущие валы, которые в свою очередь, приводят в действия колеса.

Как устроен ДВС

Устройство двигателя автомобиля можно рассматривать по тактам работы основного силового агрегата. Такты — это своего рода циклы двигателей внутреннего сгорания, без которых невозможно обойтись. Рассмотрим, принцип работы двигателя автомобиля со стороны тактов:

1. Впрыск. Поршень делает движение вниз, при этом открывается впускной клапан головки блока соответствующего цилиндра и камера сгорания наполняется воздушно-топливной смесью.
2. Сжатие. Поршень движется в ВТМ и в самой верхней точке происходит искра, которая влечет за собой воспламенение смеси, которое находится под давлением.
3. Рабочий ход. Поршень движется в НТМ под давлением воспламененной смеси и образовавшимся выхлопным газам.
4. Выпуск. Поршень движется вверх, открывается выпускной клапан и он выталкивает выхлопные газы с камеры сгорания.

Все четыре такта еще называются — действительные циклы ДВС. Таким образом, работает стандартный бензиновый четырехтактный мотор. Есть еще пятитактный роторный двигатель и шеститактные силовые агрегаты нового поколения, но о технических характеристиках и режимы работы двигателя такой конструкции будет рассмотрено в других статьях нашего портала.

Общее устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания достаточно простое, тем, кто уже сталкивался с их ремонтом, и достаточно тяжелое тому, кто еще не имеет представление об этом агрегате. Силовой агрегат включает в свое строение несколько немаловажных систем. Рассмотрим, общее устройство двигателя:

1. Систему впрыска.
2. Блок цилиндров.
3. Головку блока.
4. Газораспределительный механизм.
5. Систему смазки.
6. Систему охлаждения.
7. Механизм выхлопа отработанных газов.
8. Электронную часть двигателя.

Все эти элементы определяют устройство и принцип работы ДВС. Далее стоит рассмотреть, из чего состоит двигатель автомобиля, а именно сам силовой агрегат в сборе:

1. Коленчатый вал — вращается в самом сердце блока цилиндров. Приводит в работу поршневую систему. Он купается в масле, поэтому расположен ближе к поддону картера.
2. Поршневая система (поршни, шатуны, пальцы, втулки, вкладыши, бугеля и маслосъемные кольца).
3. Головка блока цилиндров (клапаны, сальники, распределительный вал и другие элементы ГРМ).
4. Масляный насос — циркулирует смазочную жидкость по системе.
5. Водяной насос (помпа) — обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости.
6. Комплект газораспределительного механизма (ремень, ролики, шкивы) — обеспечивает правильность тактности. Ни один двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на тактах, не может без этого элемента.
7. Свечи зажигания обеспечивают воспламенение смеси в камере сгорания.
8. Впускной и выпускной коллектор — принцип действия их основан на впуске топливной смеси и выпуску отработанных газов.

Общее устройство и работа двигателя внутреннего сгорания достаточно простая и взаимосвязанная. Если один из элементов вышел со строя или отсутствует, то эксплуатация автомобильных двигателей будет невозможна.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Автомобильные моторы делятся на несколько видов и классификаций, в зависимости от устройства и работы ДВС. Классификация ДВС за международными стандартами:

1. За видом впрыска топливной смеси:
   • Те, которые работают на жидких топливах (бензин, керосин, дизельное топливо).
   • Те, что работают на газообразных топливах.
   • Те, что работают на альтернативных источниках (электричество).

1. Состоящий за циклами работы:
   • 2хтактные
   • 4хтактные

1. По способу смесеобразования:
   • с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые силовые агрегаты),
   • с внутренним смесеобразованием (дизель, турбодизель, непосредственный впрыск)

1. По способу зажигания рабочей смеси:
   • с принудительным зажиганием смеси (карбюраторные, двигатели с непосредственным впрыском легких топлив);
   • с воспламенением от сжатия (дизели).

1. По числу и расположению цилиндров:
   • одно-, двух-, трех- и т.д. цилиндровые;
   • однорядные, двухрядные

1. По способу охлаждения цилиндров:
   • с жидкостным охлаждением;
   • с воздушным охлаждением.

Принципы эксплуатации

Автомобильные двигатели эксплуатируются с разным ресурсом. Самые простые двигатели могут иметь технический ресурс 150000 км пробега при правильном техническом обслуживании. А вот некоторые современные дизельные двигатели, которые оснащаются на грузовики, могут выхаживать до 2 миллионов.

Устраивая конструкцию мотора, автопроизводители обычно делают упорство на надежность и технические характеристики силовых агрегатов. Учитывая современную тенденцию, многие автомобильные моторы рассчитаны на небольшой, но надежные срок эксплуатации.

Так, средняя эксплуатация силового агрегата легкового транспортного средства составляет 250 000 км пробега. А дальше, существует несколько вариантов: утилизация, контрактный двигатель или капитальный ремонт.

Техническое обслуживание

Немаловажным фактором в эксплуатации остается техническое обслуживание двигателя. Многие автомобилисты не понимают этого понятия и опираются на опыт автосервисов. Что стоит понимать под обслуживание двигателя автомобиля:

1. Замена моторного масла в соответствии с техническими картами и рекомендациями завода изготовителя. Конечно, каждый автопроизводитель ставит свои рамки замены смазочной жидкости, но эксперты рекомендуют менять смазку один раз на 10000 км — для бензиновых ДВС, 12-15 тыс. км — для дизеля и 7000-9000 км — для транспортного средства, работавшим на газу.
2. Замена фильтров масла. Проводится при каждом ТО по замене масла.
3. Замена топливных и воздушных фильтров — один раз на 20 000 км пробега.
4. Чистка форсунок — каждые 30 000 км.
5. Замена газораспределительного механизма — один раз на 40-50 тыс. км пробега или за необходимостью.
6. Проверка всех остальных систем проводится при каждом ТО, вне зависимости от давности замены элементов.

При своевременном и полном техническом обслуживании увеличивается ресурс использования двигателя транспортного средства.

Доработка моторов

Тюнинг — доработка двигателя внутреннего сгорания по увеличению некоторых показателей, таких как мощность, динами, расход или другое. Это движение набрало всемирную популярность в начале 2000-х годов. Многие автолюбители начали самостоятельно экспериментировать со своими силовыми агрегатами и выкладывать фотоинструкции в глобальную сеть.

Сейчас можно встретить массу информации по проведенным доработками. Конечно, не весь этот тюнинг одинаково хорошо влияет на состояние силового агрегата. Так, стоит понимать, что разгон мощности без полного анализа и тюнинга может «угробить» ДВС, а коэффициент износа при этом увеличивается в несколько раз.

На основании этого, прежде чем проводить тюнинг мотора стоит все тщательно проанализировать, дабы не «попасть» на новый силовой агрегат» или, что еще хуже, не попасть в аварию, которая может стать для многих первой и последней.

Вывод

Конструкция и особенности современных моторов постоянно совершенствуются. Так, весь мир уже невозможно представить без выхлопных газов, машин и автосервисов. Работающий ДВС узнать легко по характерному звуку. Принцип работы и устройство двигателя внутреннего сгорания достаточно простое, если разобраться один раз.

А вот, что качается технического обслуживания, то здесь поможет смотреть техническую документацию. Но, если человек не уверен, что он может провести ТО или ремонт автомобиля своими руками, то стоит обратиться в автосервис.

Что собой представляет ДВС: анализ технических характеристик

В наши дни на автомобили в основном устанавливается двигатель внутреннего сгорания. Специалисты-профессионалы отмечают достаточно сложное его устройство. Для того чтобы остановить свой выбор, при покупке автомобиля, на какой-то конкретной версии, необходимо использовать технические характеристики двигателя внутреннего сгорания для анализа устройства всего автомобиля.

Особенности

Самый главный показатель поршневого двигателя внутреннего сгорания – это количество цилиндров. Их может быть, на серийных автомобилях, от 1 до 16. Этот фактор влияет на конструктивное устройство двигателя, а так же на мощность, она может быть различной при одинаковом количестве цилиндров.

Цилиндры могут располагаться рядно и под углом друг к другу. Когда они расположены под углом, относительно коленчатого вала с обеих сторон, то на характеристики двигателя внутренного сгорания влияет угол развала. При увеличении угла смещается вниз центр тяжести двигателя, что улучшает работу систем охлаждения и смазки, наблюдается улучшение динамических показателей, повышается инерционность. При уменьшении угла снижается вес и инерционность, но ухудшается температурный режим.

Применяется в автомобилестроении оппозитный двигатель с механизмом внутренного сгорания, угол развала цилиндров которого составляет 180°, при этом максимально проявляются преимущества и недостатки ДВС. При W-образной схеме задействуется четыре и более цилиндра, и включаются они в общий привод. Очень редко применяется рядно-V-образный тип двигателей, это синтез двух типовых разновидностей. Располагаясь последовательно, несколько цилиндров наклонены под определенным углом относительно друг друга, это способствует улучшению температурных характеристик.

Важно! Отличаются между собой эти типы двигателей внутренного сгорания весом и размерами. Увеличение количества цилиндров ведет к изменению всех характеристик: увеличивается рабочий объем, увеличивается его мощность, но и расход топлива увеличивается тоже.

Материалы

Материалы, из которых изготавливают двигатели с механизмом внутреннего сгорания можно разделить на три основных группы:

1. Чугун и другие сплавы железа – достигается большая прочность, но значительно увеличивается вес.
2. Алюминий и сплавы – дают малый вес и среднюю прочность.
3. Сплавы магния – малый вес при достаточно высокой прочности, но при этом значительно возрастает стоимость.

Характеристики

В основном работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется тремя показателями: мощностью, крутящим моментом и числом оборотов коленчатого вала. Мощность обозначается лошадиными силами (л.с.), иногда выражается в киловаттах (кВт). Влияет она на общую динамику автомобиля, на его скорость и время разгона. Крутящий момент влияет на создание тягового усилия, обозначается ньютонометрами (нм), обеспечивает мягкость работы двигателя при переключении передач и обеспечивает ускорение автомобиля с низких оборотов. Показатель максимального числа оборотов коленчатого вала влияет на скоростной и динамический характер движения автомобиля.

Не менее важными являются такие характеристики мотора внутреннего сгорания:

• тип применяемого топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть бензин, газ или дизельное топливо. Марки топлива различаются октановым числом, оно должно соответствовать типу двигателя и его характеристикам. Использование несоответствующего топлива приводит к потере мощности и к снижению ресурса работоспособности двигателя;
• расход топлива двигателя внутреннего сгорания разделяется на городской, загородный и смешанный. Обозначается количеством литров на сто километров пробега автомобиля;
• расход моторного масла. Измеряется в литрах на тысячу километров пробега. Масла бывают синтетическими, полусинтетическими и минеральными, отличаются они густотой и вязкостью. Применение их регламентировано изменениями сезонных температур, зимой применяются масла с низкими обозначениями 0W40, 5W40, 10W40, а летом 15W40, 20W40. Трансмиссионные масла 70W90 или 95W100 использовать в двигатель нельзя, так как это приведет к его заклиниванию;
• ресурсная прочность – этот параметр определяет периодичность проведения технического обслуживания. Обычно работы по техническому обслуживанию двигателя проводятся в период между 5000 и 30000 километров пробега. Имеется гарантийный и послегарантийный периоды технического обслуживания.
• Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд разнообразных особенностей конструктивного характера:
• топливная система – может быть бензиновая и дизельная. Бензиновые двигатели при большем числе оборотов колен вала развивают большую мощность, а дизельные имеют большой крутящий момент и отличаются устойчивой работой;
• на современных двигателях внутреннего сгорания применяется электронная система впрыска бензина (инжекторная), она показывает лучшие технико-экономические показатели, чем карбюраторная система. Из-за плохого смешивания бензовоздушной смеси карбюраторная система имеет низкий КПД, труднорегулируемая механическая регулировка приводят к перерасходу топлива;
• система бензинового впрыска может быть одноточечного и многоточечного типа. Недостатком одноточечной системы есть то, что при резком уменьшении нагрузки происходит увеличение расхода топлива. Многоточечный тип имеет прямую и распределенную систему внутреннего впрыска. При этом создается равномернораспределенная смесь, что делает работу двигателя устойчивой на всех режимах. Но при прямом впрыске, хоть и наблюдается повышение мощности, ресурсной прочности и снижение расхода топлива значительно повышается стоимость, так как необходимо высококачественное топливо и наблюдаются провалы на малых оборотах в начале движения.

Эти недостатки исключаются применением комбинированного (двойного) впрыска. Системы используются одновременно, а электроника включает их по очереди, в зависимости от изменения нагрузочных и скоростных режимов.

Дизельные агрегаты

Дизельные двигатели проще бензиновых с системой внутренного сгорания по конструкции, однако, система впуска намного сложнее и построена по другому принципу. В ее состав входит топливный насос высокого давления (ТНВД), а так же форсунки, которые впрыскивают топливо, под высоким давлением, прямо в камеру сгорания. Работает эта совместная система достаточно устойчиво и стабильно, но требует тщательного технического обслуживания и профессиональной регулировки.

Используя комбинацию топливного насоса высокого давления с насос-форсунками на базе общей топливной рампы высокого давления, где дизельное топливо сжимается и попадает в камеру сгорания методом впрыска. На данное время эта система показывает лучшие характеристики и обеспечивает малый расход топлива.

Клапана – часть газораспределительной системы, бывают впускные и выпускные. В разных конструкциях используется от 2 до 5 на каждый цилиндр. Чем больше клапанов, тем больше мощность, так как камера сгорания больше и быстрее наполняется топливом, это характеризуется увеличенным расходом топлива.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания бывают с наддувом и без. Без наддува – атмосферные двигатели не имеют компрессора или других устройств обеспечивающих создание повышенного давления воздуха в системе впуска. С наддувом бывают компрессорные и турбинные, отличаются друг от друга типом привода.

Компрессорный наддув имеет механический привод и получает вращение от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, в результате теряется часть мощности и увеличивается расход топлива. Турбонаддув имеет привод от системы крыльчаток, раскручивающихся под давлением выхлопных газов. Эта система надежнее, отличается простотой и почти исключает потери, но при этом снижается крутящий момент, ощутимо это на низких оборотах.

Система газораспределения двигателя внутреннего сгорания включает в себя распределительные валы и их приводы. Количество их зависит от конструкции двигателя, на каждый ряд один вал, но не более чем на 8 клапанов. Передача вращения от коленвала на распредвал осуществляется посредством цепи или ремня. Цепь создает много шума, но достаточно надежная, а ремень дешевле, но быстро изнашивается.

Фазы газораспределения – величина теоретически постоянная, и зависит от формы кулачка распредвала. По мере износа кулачка изменяются фазы, падает мощность и уменьшается моторесурс двигателя внутреннего сгорания.

И напоследок, если у вас ломался ДВС, то диагностика автомобилей с выездом просто необходима в этом случае.

4.4 Основные технические характеристики двигателя

О любом двигателе можно получить представление, зная набор определенных технических параметров.

Диаметр цилиндра. Имеется в виду внутренний диаметр цилиндра. Обычно измеряется в нескольких точках и рассчитывается как среднее арифметическое из полученных данных.

Ход поршня — это расстояние, которое поршень проходит от ВМТ до НМТ. Равняется также удвоенному радиусу кривошипа.

Примечание
Обычно при описании технических характеристик двигателя диаметр цилиндра и ход поршня записываются вместе, через знак «х», например 95 х 85 мм. Если ход поршня превышает диаметр цилиндра, двигатель называют длинноходным, если наоборот – короткоходным.

Рисунок 4.4 Ход поршня.

Радиус кривошипа – это расстояние, на которое шатунная шейка (та, к которой крепится шатун) отведена от оси коренной шейки коленчатого вала, как показано на рисунке 4.4.

Рабочий объем двигателя – объем пространства, заключенный между ВМТ и НМТ поршня, умноженный на количество цилиндров. Измеряется в сантиметрах кубических (см 3 ) или литрах (л). А объем, который находится над поршнем, когда тот установлен в ВМТ, называется объемом камеры сгорания. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом. Обычно в характеристиках полный объем не приводится, однако используется для получения такого немаловажного параметра, как степень сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Данный параметр характеризует то, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндре. Записывается обычно в виде соотношения, например, 14:1 – в данном случае имеется в виду, что камера сгорания по объему в 14 раз меньше полного объема. Степень сжатия влияет на эффективность и мощность двигателя: чем выше, тем эффективнее, но есть и ограничения, ввиду особенностей используемого топлива (смотрите ниже в разделе «Система питания современных двигателей»).

Примечание
Если двигатель бензиновый, то бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя, так как вместе с этим увеличивается вероятность детонации топливовоздушной смеси и, как следствие, происходит выход из строя всего двигателя. Подробнее о детонации будет рассказано ниже.

Рядность – обозначение взаимного расположения цилиндров. Двигатель может быть рядным, V-образным, W-образным.

Рисунок 4.5 Различные варианты взаимного расположения цилиндров.

Порядок работы. Если в двигателе больше двух цилиндров, то для более равномерной и сбалансированной работы агрегата необходимо, чтобы рабочий ход в каждом из цилиндров реализовывался не одновременно, а в определенной последовательности, при этом очередность определяется, в основном, количеством цилиндров.

Примечание
Для ДВС с одинаковым количеством цилиндров может быть несколько вариантов порядка работы.

Так, например, самый распространенный порядок работы четырехцилиндрового двигателя: 1 – 3 – 4 – 2. Такая запись говорит о том, что сначала рабочий ход будет совершать поршень первого цилиндра, затем третьего, четвертого и второго, соответственно.

Для примера опишем работу четырехцилиндрового рядного двигателя.

Рисунок 4.6 Схематическое изображение четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя.

В четырехтактном четырехцилиндровом рядном двигателе (показан на рисунке 4.6) кривошипы коленчатого вала расположены в одной плоскости: два крайних кривошипа 1-й и 4-й под углом 180° к двум средним — 2-му и 3-му. При вращении вала поршни первого и четвертого, а также второго и третьего цилиндров попарно движутся в одном направлении. Когда поршни первого и четвертого цилиндров приходят в НМТ, поршни второго и третьего цилиндров находятся в ВМТ, и наоборот. В каждом из цилиндров рабочий цикл завершается за два оборота коленчатого вала, а чередование тактов подобрано таким образом, что одновременно во всех цилиндрах происходят разные такты. Этим обеспечивается равномерность вращения вала.

Предположим, что при первом полуобороте вала (от 0 до 180°) в первом цилиндре поршень идет от ВМТ до НМТ и в нем происходит рабочий ход. Тогда в четвертом цилиндре поршень также движется к НМТ, но происходит впуск горючей смеси. Во втором и третьем цилиндрах поршни движутся к ВМТ, при этом в третьем цилиндре идет сжатие рабочей смеси, а во втором — выпуск отработавших газов.

Примечание
Моменты открытия и закрытия клапанов регулируются распределительным валом (подробнее рассмотрено ниже).

В течение дальнейших трех полуоборотов коленчатого вала в каждом из цилиндров такты будут следовать в обычной для четырехтактного процесса очередности.

К тому времени, когда вал закончит четвертый полуоборот, во всех цилиндрах произойдут все такты рабочего цикла. При дальнейшем вращении вала такты будут повторяться в той же последовательности.

При работе четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на каждый полуоборот коленчатого вала приходится один рабочий ход, причем рабочие ходы чередуются не в порядке расположения цилиндров, а в другой последовательности. Сначала рабочий ход происходит в первом цилиндре, затем в третьем, далее в четвертом и, наконец, во втором, т. е. рабочие ходы чередуются в порядке 1 — 3 — 4 — 2. Этот порядок чередования рабочих ходов по цилиндрам называется порядком работы двигателя.

Рисунок 4.7 Полуобороты коленчатого вала.

При одной и той же форме расположения кривошипов вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения, четырехцилиндровый двигатель может иметь другую последовательность чередования тактов и другой порядок работы. Если при первом полуобороте вала в третьем цилиндре будет происходить такт выпуска, а во втором — такт сжатия, то чередование тактов в двигателе изменится, и получится порядок работы 1 — 2 — 4 — 3.

Компрессия в цилиндре – максимальное давление, создаваемое в цилиндре при сжатии воздуха поршнем. Зачастую измеряется в барах или кг/см2. Часто степень сжатия путают с компрессией. Однако надо всегда помнить, что степень сжатия — параметр исключительно геометрический, в отличие от компрессии.

Мощность двигателя – работа двигателя, совершаемая в единицу времени, измеряется в лошадиных силах (л. с.) или киловаттах (кВт). Проще говоря, мощность — это параметр, который описывает, как быстро может вращаться коленчатый вал двигателя. Чтобы лучше понять, представьте, что вы велосипедист, а мощность — это характеристика, описывающая, как быстро вы можете крутить педали.

Крутящий момент – произведение силы на плечо. В случае двигателя внутреннего сгорания — это тяга, создаваемая на коленчатом валу, иначе говоря — сила, с которой поршень давит через шатун на шатунную шейку коленчатого вала, умноженная на радиус кривошипа (смотрите выше). Чтобы было понятней, вернемся к велосипедисту. Величина тяги на оси педалей зависит как от длины педали (плеча), так и от силы, с которой велосипедист давит на эту педаль. Измеряется крутящий момент в Ньютон на метр (Н·м).

Основные характеристики двигателя

К основным техническим характеристикам трехфазного асинхронного электрического двигателя относятся:

-мощность на валу или полезная мощность;

-коэффициент полезного действия;

-отношение пускового и номинального моментов;

Есть и другие важные характеристики, которые определяются стандартами и устанавливают показатели надежности при эксплуатации у потребителя.

Задачей расчета асинхронного двигателя является определение главных размеров и обмоточных данных по заданной полезной мощности на валу. По результатам расчета определяются рабочие характеристики двигателя. Это зависимость потребляемого тока, подводимой мощности, кпд, коэф-та мощности и скольжения от мощности на валу. Соответствие рабочих характеристик расчетам подтверждается испытаниями.

Для двигателей одного габарита справедливо выражение:

D 2 • l • n / Р = Соnst

Здесь Р – расчетная, более высокая чем номинальная, мощность ( с учетом к.п.д. и коэф-та мощности). Очевидно, что для увеличения мощности на валу двигателя необходимо увеличивать D или l или n. В пределах одного габарита, при неизменной n, как правило, изменяют только l.

Длина l на практике ограничена рядом условий, например, длиной корпуса статора, длиной вала, условиями транспортировки и монтажа. В этом случае проблема повышения мощности двигателя (в одном габарите) решается путем разработки секционного двигателя.

Погружной секционный электродвигатель состоит из двух или трех секций, соединенных между собой узлом секционирования. Головка электродвигателя установлена на верхней секции, а основание – на нижней. Узел секционирования обеспечивает механическое соединение валов и электрическое соединение обмоток секций электродвигателей.

Кпд двигателя характеризует уровень потерь и определяется выражением:

( Р_1Н — ∑ Р _потерь) / Р_1Н

Здесь Р_1Н – подводимая к двигателю активная электрическая мощность, кВт при номинальной нагрузке;

∑ Р _потерь = Р _стали + Р _{механич.} + Р _{меди статора} + Р _{меди ротора} + Р _{добавочные} также при номинальной нагрузке.

Указанные потери взаимно связаны. Каждая из указанных потерь определяется расчетом, и в последующем проверяется при испытаниях двигателя. Оптимальное соотношение между величинами потерь будет означать максимум кпд.

Важной характеристикой асинхронного двигателя является вращающий момент. Он создается благодаря действию сил, о которых было сказано выше. Зависимость вращающего момента от скольжения называется моментной характеристикой и имеет вид. Устойчивая работа двигателя возможна лишь при скольжении, которому соответствует возрастание вращающего момента, например при скольжении s_А и вращающем моменте М_А. При скольжении s_В и моменте М_В частота вращения двигателя станет уменьшаться и может дойти до нуля. Характерной точкой на кривой момента является s _{критич.} До этой точки увеличение момента возможно. Но в точке М_кр произойдет так называемое «опрокидывание» момента и двигатель остановится. Момент, соответствующий номинальному скольжению, называется номинальным моментом. Для погружных двигателей отношение максимального момента к номинальному нормировано и составляет не менее 2.

Рассмотрим режим пуска. При пуске асинхронного двигателя вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с более высокой скоростью, чем при работе двигателя, так как в начале пуска ротор неподвижен. Вследствие этого в обмотке ротора наводится большая по сравнению с номинальной электродвижущая сила, а значит по обмотке ротора проходит и больший ток. Поэтому пусковой момент, прямо пропорциональный величине тока, больше номинального момента. Для погружных двигателей отношение пускового момента к номинальному моменту также нормировано и должно быть не менее 2. Увеличение тока в обмотке ротора вызывает соответствующее увеличение тока в обмотке статора — согласно закону сохранения энергии. Пусковой ток обмотки статора в 5-7 раз превышает номинальный. Норма на величину пускового тока не устанавливается, а характер зависимости пускового тока статора от скольжения приведен на графике.

С целью снижения пусковых токов мощных двигателей применяется пуск на пониженной частоте питающей сети, от станции управления с частотным преобразователем.

Двигатели мощностью до 160 кВт допускают прямой пуск от номинального напряжения и частоты; от160 до 250 кВт – при плавном регулировании напряжения, начиная от 50% от номинального; свыше 250 кВт – с помощью частотного преобразователя.

§79. Характеристики асинхронных двигателей

Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора.

Как показывает кривая на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M_max двигатель развивает при некотором скольжении s_kp, составляющем 10—20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном — его пусковые свойства.

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В).

Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками.

При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R₂ и возрастает s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками.

Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М_п такого двигателя значительно больше, чем момент М’_п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рабочие характеристики.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁ коэффициента полезного действия η и cosφ₁, от полезной мощности Р₂ = Р_mx при номинальных значениях напряжения U₁ и частоты f₁ (рис. 264).

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р₂ изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М₂ пропорционален мощности Р₂, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М_тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I₁, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р₂ = 0 имеется некоторый ток холостого хода I₀. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cosφ₁ асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9.

Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.

Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы).

Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U_ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении.

Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз.

При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении.

Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты.

Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.