Задание к лабораторной работе. 1. Изучить устройство и принцип работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

 

1. Изучить устройство и принцип работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

2. Вычертить принципиальную схему ДВС (согласно варианта).

3. Определить технико-эксплуатационные показатели (согласно варианта).

 

Таблица 4.1

Наименование показателей	Вариант
рис. 4.1	рис. 4.2.	рис. 4.3.	рис. 4.4.	рис. 4.5.	рис. 4.2.	рис. 4.3.
Диметр цилиндра, , мм
Ход поршня, , мм
Число цилиндров,
Эффективная мощность, , кВт
Частота вращения, , с-1	96, 6	87, 0	53, 4	51, 7	87, 0	75, 0	51, 7
Удельный эффективный расход топлива, , г/кВт . ч

Принцип работы, общее устройство и основные параметры

Классификация автотракторных двигателей

Двигателем внутреннего сгорания (ДВС), установленным на автомобиле или тракторе, называется тепловая энергетическая установка, в которой теплота сгорающих в рабочем пространстве газов преобразуется в механическую работу.

С работой двигателя связаны следующие параметры (рис. 4.1).

 

 

Рис. 4.1. Основные положения кривошипно-шатунного механизма:

1 – объем камеры сгорания; 2 – рабочий объем цилиндра; 3 – полный объем

цилиндра; – ход поршня; – диаметр цилиндра

 

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня.

Радиус кривошипа – расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.

Ход поршня S – расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

Такт – часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.

Объем камеры сгорания – объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ (поз. 1).

Рабочий объем цилиндра – объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ (поз. 2).

Полный объем цилиндра – объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ (поз. 3). Очевидно, что полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема , цилиндра и объема камеры сгорания, т. е.

 

.

Литраж двигателя (в л) для многоцилиндровых двигателей – это произведение рабочего объема на число цилиндров, т. е.

 

.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, т. е.

 

.

 

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия – величина безразмерная. В карбюраторных двигателях , а в дизелях . С увеличением степени сжатия возрастает мощность и улучшается экономичность двигателя.

Ход поршня и диаметр цилиндра обычно определяют размеры двигателя. Если отношение , то двигатель называют короткоходным. Большинство современных двигателей короткоходные.

Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называют совокупность процессов, которые в определенной последовательности периодически повторяются в цилиндре, в результате чего двигатель непрерывно работает. К этим процессам относятся следующие: впуск – наполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси или воздуха; сжатие газов; расширение газов или рабочий ход; выпуск отработавших газов.

Если рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, то это двигатель четырехтактный. Если рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, то это двигатель двухтактный.

При рассмотрении цикла условно принимаем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 4.2) состоит из четырех тактов.

Первый такт – впуск (рис. 3, а). При вращении коленчатого вала 1поршень перемещается из ВМТ в НМТ, и в верхней части цилиндра создается разрежение. Распределительный вал через детали механизма газораспределения открывает впускной клапан 7, который через впускной трубопровод 5 соединяет цилиндр с карбюратором 6. Горючая смесь, поступающая под действием разрежения из карбюратора по впускному трубопроводу, заполняет цилиндр, где образуется рабочая смесь. Рабочая смесь состоит из горючей смеси и отработавших газов, которые всегда в небольшом количестве остаются в цилиндре от предыдущего цикла. В конце такта впуска, при работе двигателя на режиме полной нагрузки, давление в цилиндре составляет 8–9 кПа, а температура рабочей смеси равна 80–120 °С (для прогретого двигателя).

Второй такт – сжатие (рис. 3, б). Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми. Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает 100–120 кПа. Повышение давления сопровождается увеличением температуры смеси до 300–400 °С.

 

Рис. 4.2. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового

карбюраторного двигателя:

а – впуск в цилиндр горючей смеси; б – сжатие рабочей смеси; в – расширение газов или рабочий ход; г – выпуск отработавших газов; 1 – коленчатый вал;

2 – распределительный вал; 3 – поршень; 4 – цилиндр; 5 – впускной трубопровод;

6 – карбюратор; 7 – впускной клапан; 8 – свеча зажигания; 9 – выпускной клапан; 10 – выпускной трубопровод; 11 – шатун; 12 – поршневой палец;

13 – поршневые кольца

 

Третий такт – расширение газов или рабочий ход (рис. 3, в). Оба клапана закрыты. При подходе поршня в конце такта сжатия к ВМТ между электродами свечи зажигания 8 проскакивает электрическая искра. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов. Газы давят на поршень, который под их давлением перемещается из ВМТ в НМТ и через шатун 11 вращает коленчатый вал. Это основной такт, так как расширяющиеся газы совершают полезную работу. С момента воспламенения смеси давление газов быстро возрастает, а затем по мере движения поршня вниз и увеличения объема снижается. В конце сгорания и начале расширения давление достигает 300–400 кПа при температуре 2000–2200° С, а в конце расширения снижается до 35–45 кПа при температуре 1200–1500 °С.

Четвертый такт – выпуск (рис. 3, г). Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 9 вытесняет отработавшие газы в выпускной трубопровод 10, глушитель и далее в атмосферу. При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндра от отработавших газов, и часть их остается в цилиндре. В конце выпуска давление равно 10, 5–12 кПа при температуре 700–900 °С. После окончания такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется в рассмотренной выше последовательности.

На заднем конце коленчатого вала устанавливают тяжелый диск – маховик, который во время рабочего хода накапливает энергию, а затем продолжает вращаться по инерции. При этом вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение остальных вспомогательных тактов.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля:

а – впуск воздуха; б – сжатие воздуха; в – расширение газов или рабочий ход;

г – выпуск отработавших газов; 1 – цилиндр; 2 – топливный насос; 3 – поршень;

4 – форсунка; 5 – впускной клапан; 6 – выпускной клапан

Принципиальная схема устройства дизельного четырехтактного двигателя приведена на рис. 4.4.

 

 

Рис. 4.4. Принципиальная схема устройства дизельного четырехтактного двигателя

 

Для установки и крепления основных механизмов и узлов двигателя служит его остов, состоящий из картера 33, цилиндра 1. В дизельных двигателях строительных и дорожных машин устанавливается, как правило, несколько цилиндров, которые образуют блок цилиндров. Блок цилиндров отливают как одну деталь, называемую блок-картером. Сверху блок цилиндров герметически закрывается головкой блока.

В нижней части блок-картера имеются разъемные подшипники для установки коленчатого вала 32, а внутри – подшипники распределительного вала 34.

Снизу блок-картер закрывается поддоном, используемым в качестве резервуара для масла смазочной системы.

В верхней части блок-картер имеет рубашку охлаждения – пространство между наружной стенкой и стенками цилиндров, заполняемое охлаждающей жидкостью. В головке блока цилиндров имеются камеры сгорания 29, отверстия для крепления форсунок 8, гнезда для клапанов и рубашка охлаждения.

Кривошипно-шатунный механизм включает коленчатый вал 32, шатун 31, поршень 2, соединенный с шатуном поршневым пальцем, и маховик, установленный на конце коленчатого вала (на рисунке не показан).

В дизельных двигателях применяется газораспределительный механизм с верхними (подвесными) клапанами, расположенными в головке блока. Основными деталями газораспределительного механизма в этом случае являются: распределительный вал 34, толкатели 35, штанги 5, закрепленные на оси коромысла 6, впускные 30 и выпускные 3 клапаны, пружины 7 клапанов, шестерни привода распределительного вала.

Система питания дизеля состоит из двух частей: системы питания двигателя воздухом, предназначенной для очистки и подачи воздуха в цилиндры и топливной системы, предназначенной для подачи в цилиндры под высоким давлением и в определенный момент соответствующего нагрузке количества жидкого топлива. К системе питания двигателя воздухом относятся: воздухоочиститель 12 и впускные трубопроводы 11. Основными элементами топливной системы являются: топливный бак 17 с сетчатым фильтром 18, фильтры грубой 16 и тонкой 13 очистки топлива, подкачивающий насос 14, насос высокого давления 10, форсунки 7, трубопроводы низкого 15 и высокого 9 давления. Топливный насос высокого давления служит для подачи к форсункам дизельного топлива под высоким давлением.

Топливный насос имеет ряд секций, число которых соответствует количеству цилиндров двигателя. На рис. 1 показано устройство одной секции. Основными элементами секции топливного насоса является гильза 22, плунжер 24 и нагнетательный клапан 21, прижимаемый к своему гнезду пружиной 10. Внутренняя поверхность гильзы 22 и наружная поверхность плунжера 24 обработаны с высокой степенью точности за счет индивидуальной притирки, что исключает возможность утечки топлива между их поверхностями. Плунжер перемещается в неподвижно закрепленной гильзе вниз пружиной 26, а вверх – кулачковым валом 28 и толкателем 27. При нижнем положении плунжера в пространство гильзы над плунжером через открытое впускное отверстие в ее боковой поверхности по трубопроводу 20 поступает топливо. Как только верхняя торцевая кромка плунжера при его движении вверх пройдет у впускного отверстия гильзы, а его боковая поверхность закроет последнее, давление топлива над плунжером резко повышается и под действием его нагнетательный клапан 21 открывается. Топливо при этом из гильзы по трубопроводу высокого давления 9 и через форсунку б подается в камеру сгорания цилиндра.

Нагнетание топлива в цилиндре будет продолжаться до тех пор, пока отсекающая кромка 23 фигурной выточки на поверхности плунжера при его движении вверх не достигнет впускного отверстия гильзы.

В этот момент топливо из пространства над плунжером через боковую прорезь и соединенную с ней выточку на плунжере начнет перетекать во впускное отверстие. Давление над плунжером при этом, несмотря на дальнейшее движение последнего вверх, упадет, что приведет к закрытию пружиной 10 клапана 21 и прекращению подачи топлива в цилиндр.

При постоянной величине полного хода плунжера 24 нагнетательный ход его, а, следовательно, и количество топлива, подаваемого в цилиндр, изменяется поворотом плунжера 24 вокруг его оси в неподвижной гильзе 22. В результате этого отсекающая кромка 23 фигурной выточки на плунжере будет раньше или позже совмещаться с выпускным отверстием гильзы при его движении вверх, а, следовательно, будет больше или меньше вытекать топлива из надплунжерного пространства во впускное отверстие и, соответственно, меньше или больше топлива, подаваться в цилиндр. Для поворота плунжеров на их нижние концы закреплены зубчатые секторы, находящиеся в зацеплении с рейкой 25 топливного насоса. Рейка 25 перемещается вручную или автоматически всережимным регулятором центробежного типа в сторону увеличения или уменьшения подачи в зависимости от нагрузки на двигатель.

Система смазки двигателя комбинированная, т.е. некоторые детали смазываются маслом, поступающим под давлением (коренные и шатунные подшипники, подшипники распределительного вала, поршневые пальцы оси коромысел, шестерни механизмов и систем), а другие разбрызгиваемым маслом.

Система охлаждения дизельных двигателей бывает жидкостной и воздушной. В первом случае отвод тепла от узлов и деталей осуществляется путем омывания блока цилиндров и головки блока охлаждающей жидкостью (чаще всего водой). Особенностью жидкостной системы охлаждения дизелей является то, что рубашка охлаждения пускового и дизельного двигателей соединены между собой. В результате этого при работе первого происходит подогрев деталей дизеля водой, нагретой в рубашке охлаждения пускового двигателя, что ускоряет прогрев и пуск основного двигателя.

Так как большинство дизелей имеет термостат в системе охлажде­ния, то при температуре охлаждающей жидкости до 68–72°С последняя циркулирует по малому замкнутому кругу: насос – рубашка охлаждения головки цилиндров – рубашка охлаждения пускового двигателя – насос. При достижении охлаждающей жидкостью температуры свыше 68–72°С клапан термостата открывается и вода циркулирует по большому замкнутому кругу: насос – рубашка охлаждения блока цилиндров – рубашка охлаждения головки цилиндров – радиатор – насос. При воздушном охлаждении двигатель обдувают холодным воздухом с помощью мощного вентилятора.

Система пуска служит для пуска двигателя в работу. Для пуска дизельного двигателя используются пусковой карбюраторный двухтактный или четырехтактный двигатель, вал которого через муфту сцепления, редуктор, шестерню привода соединяется с зубчатым венцом, закрепленным на маховике коленчатого вала дизеля.

Для повышения литровой мощности в дизелях используют наддув, т. е. воздух в цилиндры подают с помощью компрессора под давлением 15–16 кПа, превышающим атмосферное. Так как увеличивается масса воздуха, поступающего в каждый цилиндр, можно увеличить и количество впрыскиваемого топлива. В этом случае при тех же размерах двигателя, частоте вращения коленчатого вала и числе цилиндров мощность его значительно возрастает.

В двигателях с турбонаддувом для привода компрессора используется энергия отработавших газов, т. е. полезная мощность для этих целей не расходуется, и экономичность двигателя повышается. Кроме того, наддув дизелей способствует уменьшению содержания токсических веществ в отработавших газах.

Для осуществления наддува применяют турбокомпрессор (рис. 5), который состоит из двух колес с лопатками – центростремительной радиальной турбины и одноступенчатого компрессора (центробежного нагнетателя), установленных на одном валу. Турбокомпрессор работает следующим образом. При открытом выпускном клапане 10 поршень 2, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из цилиндра 1 в газоотводящий патрубок 9. Газы с большой скоростью поступают через сопловой аппарат на лопатки рабочего колеса 8 турбины. Ударяясь в лопатки газовой турбины, они приводят ее во вращение вместе с валом 6, а затем по трубопроводу выходят в атмосферу. Вместе с валом вращается, и рабочее колесо 5 центробежного компрессора, которое засасывает воздух через воздухоочиститель и нагнетает его под избыточным давлением по впускному трубопроводу 4 в цилиндр 1 дизеля. Наполнение цилиндра воздухом увеличивается, и соответственно возрастает количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр. При использовании газотурбинного наддува в дизелях нужно применять воздухоочистители с лучшей очисткой воздуха и увеличенной пропускной способностью. Мощность двигателя при этом возрастает на 25–40%, однако, несколько усложняется его конструкция.

 

 

Рис. 4.5. Схема работы газотурбинного компрессора дизелей:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – впускной клапан; 4 – впускной трубопровод;

5 – колесо центробежного компрессора; 6 – вал турбокомпрессора; 7 – корпус

турбокомпрессора; 8 – колесо турбины; 9 – газоотводящий патрубок;

10 – выпускной клапан; 11 – поршневой палец; 12 – шатун

 

Основные параметры и характеристики двигателя

Работа двигателя характеризуется тремя основными параметрами: мощностью, крутящим моментом и удельным расходом топлива. Различают индикаторную, эффективную, литровую и налоговую мощность.

Индикаторной мощностью (кВт) называется работа , совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени:

 

,

 

где – индикаторная работа, совершаемая газами в цилиндре за один цикл, кДж;

– частота вращения коленчатого вала двигателя, об/с;

– тактность двигателя – число ходов поршня за один цикл ( для четырехтактного двигателя и для двухтактного).

Индикаторная работа определяется по площади индикаторной диаграммы, полученной при испытании двигателя, или по данным теплотехнического расчета:

 

,

 

где – среднее индикаторное давление в цилиндре за время цикла, кПа;

– рабочий объем цилиндра двигателя, м³.

Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт)

 

,

 

где – число цилиндров двигателя.

С учетом того, что практически рабочий объем цилиндра измеряют в литрах, – в об/мин и среднее индикаторное давление – в МПа, перепишем формулу определения индикаторной мощности (кВт):

 

.

 

Индикаторная мощность, развиваемая в цилиндре двигателя, не может быть полностью использована для выполнения полезной работы. Часть ее расходуется на преодоление трения между сопряженными деталями двигателя (цилиндр – поршень, коленчатый вал – подшипники), на привод вспомогательных механизмов (водяной и масляный насосы, вентилятор, генератор и др.), на процесс газообмена в цилиндре (впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов). Мощность, равноценная этим потерям, называется мощностью механических потерь . Величина зависит от типа двигателя и условий его эксплуатации. На величину оказывает влияние температура охлаждающей жидкости и масла в двигателе.

Разность между индикаторной мощностью двигателя и мощностью механических потерь представляет собой эффективную мощность двигателя , т. е. мощность, которая может быть получена на коленчатом валу двигателя и использована для приведения в действие рабочего органа машины:

 

.

 

Механические потери двигателя более удобно оценивать по относительной величине, называемой механическим КПД двигателя , представляющим собой отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной :

 

.

 

Величина зависит от конструкции кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, совершенства системы смазки и качества применяемого масла, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала, качества технического обслуживания и ремонта двигателя. Для автомобильных и тракторных двигателей .

По аналогии с индикаторной эффективная мощность (кВт)

 

,

 

где – среднее эффективное давление, кПа;

– среднее давление механических потерь, кПа.

 

Обычно эффективную мощность двигателя определяют при его испытаниях на специальном тормозном стенде путем определения крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала .

Литровая мощность двигателя (кВт/л) представляет собой эффективную мощность двигателя , снимаемую с одного литра рабочего объема всех цилиндров двигателя ():

 

.

 

Литровая мощность позволяет оценивать совершенство конструкции двигателя. Среднее значение литровых мощностей карбюраторных двигателей находится в пределах 26–37 кВт/л, а дизельных – 9–15 кВт/л.

Индикаторным удельным расходом топлива [г/(кВт-ч)] называется количество топлива, расходуемого двигателем в течение часа работы на единицу индикаторной мощности:

 

.

 

Аналогично определяется эффективный удельный расход топлива:

.

 

Среднее значение для карбюраторных двигателей 0, 147–0, 184 кг/(кВт-ч), для дизелей – 0, 118–0, 154 кг/(кВт-ч).

Тепловой баланс двигателя. В двигателе внутреннего сгорания в полезную работу превращается только часть теплоты, выделяемой при сгорании в цилиндре топлива (20 40%). Остальное составляют тепловые потери.

Распределение теплоты, полученной при сгорании топлива в цилиндре, описывается уравнением, называемым тепловым балансом двигателя:

,

 

где – теплота, полученная при сгорании определенного количества топлива в двигателе;

– теплота, превращенная в эффективную работу двигателя;

– теплота, отводимая водяной или воздушной системой охлаждения;

– теплота, теряемая при выходе отработавших газов в атмосферу;

– неиспользованная теплота из-за неполного сгорания топлива в цилиндре;

– прочие (неучтенные) потери тепла.