Вопрос. Двигатели. Классификация, работа и общее устройство двигателей

Двигатель — это ма­шина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу.

В основном широко используют тепловые двигатели, внутри которых происходит сжигание топлива и преоб­разование части выделившейся тепло­ты в механическую работу. Их называ­ют двигателями внутреннего сгорания. К ним относят поршневые, в которых весь рабочий процесс осуществляется полностью в цилиндрах; газотурбин­ные, в которых рабочий процесс после­довательно совершается в воздушном компрессоре, камере сгорания и рас­ширительной машине — газовой турби­не, и реактивные, в которых расшире­ние продуктов сгорания происходит в реактивном сопле.

На многих современных тракторах и автомобилях установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели классифицируют по следую­щим основным признакам:

способу воспламенения горючей смеси (смеси топлива с воздухом в оп­ределенных соотношениях) — с воспла­менением от сжатия (дизели) и с прину­дительным воспламенением от электри­ческой искры (карбюраторные, газовые и инжекторные);

способу смесеобразования — с внут­ренним (дизели) и внешним (карбюра­торные, газовые и инжекторные) смесе­образованием;

виду применяемого топлива — рабо­тающие на жидком (бензин или дизель­ное топливо) и газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе, а также многотопливные;

способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;

числу цилиндров — одно- и многоци­линдровые (двух-, трех-, четырех-, шес­тицилиндровые и т. д.);

расположению цилиндров — одно­рядные, или линейные (цилиндры распо­ложены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров разме­щен под углом к другому);

типу системы охлаждения — с жид­костным или воздушным охлаждением.

На отечественных тракторах и авто­мобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоци­линдровые дизели, а на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъ­емности — четырехтактные многоци­линдровые карбюраторные, инжектор­ные и газовые двигатели или дизели.

Основные механизмы и системы. Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из корпусных дета­лей (блок или блок-картер, головка цилиндров, поддон, крышки), кривошипно-шатунного и газораспредели­тельного механизмов, систем пита­ния, охлаждения, смазочной, зажига­ния, пуска и регулирования частоты вращения.

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования пря­молинейного возвратно-поступатель­ного движения поршня во вращатель­ное движение коленчатого вала и на­оборот.

Газораспределительный механизм свое­временно соединяет надпоршневой объем с системами впуска свежего за­ряда и выпуска из цилиндра продуктов сгорания (отработавших газов) в опре­деленные промежутки времени.

Система питания служит для подачи в цилиндры дизеля очищенного возду­ха и хорошо очищенного и мелкорас­пыленного топлива, в карбюраторном и инжекторном — для очистки топлива, воздуха, приготовления горючей смеси и ввода ее в цилиндры, а в газовом — для очистки воздуха, снижения давления газа, приготовления горючей смеси и ввода ее в цилиндры.

Система охлаждения необходима для поддержания оптимального тепло­вого режима двигателя. Избыток тепло­ты отводится жидкостью или воздухом.

Смазочная система предназначена для подвода очищенного смазочного материала к поверхностям трения с це­лью их разделения, охлаждения, сни­жения трения, защиты от коррозии и вымывания продуктов изнашивания.

Система зажигания служит для свое­временного принудительного зажига­ния горючей смеси электрической ис­крой в цилиндрах карбюраторного, ин­жекторного и газового двигателей.

Система пуска обеспечивает устой­чивое начало протекания рабочего про­цесса в цилиндрах двигателя, сообщая ему необходимую частоту вращения ко­ленчатого вала. Пуск может осуществ­ляться электрическим стартером или пусковым двигателем.

Система регулирования частоты вра­щения — это автоматически действую­щий механизм, предназначенный для изменения подачи топлива или горю­чей смеси в зависимости от нагрузки двигателя.

В отличие от карбюраторного, ин­жекторного и газового двигателей в ди­зеле нет системы зажигания, а в его системе питания вместо карбюратора, или смесителя, или инжектора установ­лена топливная аппаратура (топливный насос высокого давления, топливопро­воды высокого давления и форсунки).

 

 

Вопрос. Основные понятия и параметры двигателей внутреннего сгорания. Рабочий цикл четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием. Рабочий цикл четырехтактного дизеля.

Основные понятия и определения. Параметры двигателя внутреннего сгорания.

Для описания основных определений, принятых для двигателей, рассмотрим схему одноцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания (рис. 4) с центральным кривошипно-шатунным механизмом (когда ось ци­линдра пересекает оси поршневого пальца и коленчатого вала).

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – по­ложение поршня в цилиндре, при ко­тором расстояние от него до оси колен­чатого вала двигателя наибольшее.

Нижняя мертвая точка (НМТ) – положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от него до оси ко­ленчатого вала двигателя наименьшее.

Ход поршня S (м) – расстояние по оси цилиндра между мертвыми точка­ми. При каждом ходе поршня коленча­тый вал поворачивается на полоборота, т. е. на угол 180°, следовательно, ход поршня равен двум радиусам г криво­шипа коленчатого вала: S = 1r.

Рабочий объем цилиндра V_h, (м³) – объем цилиндра, освобождаемый пор­шнем при перемещении от ВМТ до НМТ:

где D – диаметр цилиндра, м.

Объем камеры сжатия V_c (м³) – объем пространства над поршнем, находя­щимся в ВМТ.

Полный объем цилиндра V_а (м³) – сум­ма рабочего объема цилиндра и объема камеры сжатия, т. е. объем простран­ства над поршнем, находящегося в НМТ:

V_a = V_h + V_c

Литраж: двигателя К_л (л) – это сум­марный рабочий объем цилиндров, вы­раженный в литрах:

V_Л = 10³ V_h i

где i — число цилиндров двигателя.

 

 

Рис. 4. Схема двигателя внутреннего сгорания:

а — поршень в БМТ; б — поршень в Н МТ

Степень сжатия e — отношение полного объема цилиндра к объему ка­меры сжатия:

e = V_a / V_c

Следовательно, степень сжатия – это отвлеченное число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сжатия.

Во время работы поршневого двига­теля внутреннего сгорания в его цилин­дре происходит ряд периодически по­вторяющихся процессов, при которых изменяется состояние рабочего тела (газа).

Рабочий цикл двигателя — комплекс последовательных процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и вы­пуск), в результате которых энергия сгораемого топлива преобразуется в ме­ханическую энергию поступательного движения поршня.

Такт — часть рабочего цикла за время движения поршня от одной мертвой точ­ки до другой. Условно принимаем, что такт происходит за один ход поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня или за два оборота коленчатого вала, называют четырехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл со­вершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, называ­ют двухтактными.

 

Рабочий цикл четырехтактного двига­теля с внешним смесеобразованием.

Рас­смотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска. Поршень 3 (рис. 5, а) приводится в действие от коленчатого вала / через шатун 2. Поршень движет­ся от ВМТ к НМТ, создавая разреже­ние в полости цилиндра 7 над порш­нем. Впускной клапан 5 открыт, и ци­линдр через впускную трубу и карбюра­тор (или инжектор, или смеситель) сообщается с атмосферой. Под действием разности давлений воздух, про­ходя через карбюратор (инжектор, сме­ситель), смешивается с топливом, обра­зуя горючую смесь, которая заполняет цилиндр 7до прихода поршня в НМТ.

 

Рис. 5. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4— выпускной клапан; 5— впускной клапан; 6 — искровая свеча зажигания; 7— цилиндр

 

К этому моменту времени впускной клапан закрывается. Горючая смесь, за­полняя цилиндр, перемешивается с ос­таточными продуктами сгорания от предыдущего цикла и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска 0,07...0,09 МПа, температура рабочей смеси 330...390 К.

Такт сжатия (рис. 5, б). При даль­нейшем повороте коленчатого вала 1 поршень движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной 5 и выпускной 4 клапаны закрыты. Поршень в процессе движения сжимает находящуюся в ци­линдре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. Давле­ние в конце такта сжатия увеличивает­ся, достигая 0,9...1,2 МПа, а температу­ра—500...700 К. В конце такта сжатия между электродами свечи 6 возникает электрическая искра, от которой рабо­чая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление продук­тов сгорания в цилиндре повышается до 3...4,5 МПа, а температура — до 2700 К.

Такт расширения (рис. 5, в). Оба кла­пана закрыты. Под давлением продук­тов сгорания поршень движется от ВМТ к НМТ и через шатун 2 приводит во вращение коленчатый вал 1, т. е. со­вершает полезную работу. К концу так­та расширения давление продуктов сго­рания в цилиндре уменьшается до 0,3...0,4 МПа, а температура — до 1200...1400 К.

Такт выпуска. Когда поршень 3 под­ходит к НМТ, открывается выпускной клапан 4 и отработавшие газы под дей­ствием избыточного давления удаляют­ся из цилиндра в атмосферу через вы­пускную трубу. Когда же поршень пе­ремещается от НМТ к ВМТ (рис. 5, г), он выталкивает из цилиндра оставшие­ся отработанные газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составля­ет 0,11...0,12 МПа, а температура — 700...1000 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

 

Рабочий цикл четырехтактного дизе­ля.

 

 

а б в г

 

Рис.6. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизе­ля: а – такт впуска; б – такт сжатия; в – такт расщирения; г – такт выпуска;1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – топливный насос; 5 – впускной клапан; 6 – форсунки; 7– выпускной клапан; 8 – цилиндр

В отличие от двигателя с внешним смесеобразованием в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень 3 (рис. 6, а), приводимый в действие от коленчатого вала 1 через шатун 2, перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной клапан 5 от­крыт, и в цилиндр 8 поступает воздух, давление которого в конце такта равно 0,08...0,09 МПа (в случае без наддува), а температура — 320...340 К.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 6, б) воздух, находящийся в цилиндре, сжимается до давления 3,5...4 МПа, так как у дизелей степень сжатия составляет 14... 18. Температура воздуха при этом достигает 750...950 К. Это превышает температуру самовос­пламенения топлива. При положении поршня, близком к ВМТ, в цилиндр 8 через форсунку 6 впрыскивается мел­кораспыленное топливо под высоким давлением, создаваемым топливным насосом 4 высокого давления.

Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и ос­таточными газами от предыдущего цикла, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгора­ет, давление газов в цилиндре при этом достигает 5,5...9 МПа, а температура — 1900...2400 К.

Такт расширения. Оба клапана оста­ются закрытыми. Поршень ^под давле­нием газов движется от ВМТ к НМТ (рис. 6, в), при этом сгорает остальная часть топлива. Коленчатый вал 7 через шатун 2 от поршня запасает энергию, полученную при сгорании рабочей сме­си. К концу такта расширения давле­ние газов уменьшается до 0,2...0,3 МПа, а температура —до 900... 1200 К.

Такт выпуска. Выпускной клапан 7 открывается. Поршень движется от НМТ к ВМТ (рис. 6, г) и через откры­тый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов в цилиндре со­ставляет 0,11...0,12 МПа, а температу­ра-650...900 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

В течение рабочего цикла описан­ных двигателей только в такте расши­рения поршень перемещается под дав­лением газов и посредством шатуна приводит во вращательное движение коленчатый вал, на заднем конце кото­рого крепят массивный маховик. Этот маховик и запасает энергию сгораемого топлива. При выполнении остальных тактов — выпуска, впуска и сжатия — поршень перемещается за счет кинети­ческой энергии, накопленной махови­ком.