ТЕМА № 3. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ Занятие № 1. Назначение, устройство и принцип работы бензинового и дизельного двигателей Учебные вопросы 1. Общее устройство двигателя. 2. Принцип работы бензинового и дизельного двигателей. 3. Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания. 4. Параметры двигателя (ход поршня, объем камеры сгорания, степень сжатия, рабочий и полный объемы цилиндра, рабочий объем двигателя и другие). Время: 2 часа. Введение На современных автомобилях применяются в основном двигатели внутреннего сгорания. В зависимости от способа образования горючей смеси вида применяемого топлива двигатели внутреннего сгорания бывают с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, работающие на легкоиспаряющемся топливе-бензине, и газовые, работающие на сжатом или сжиженном газе. К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся дизельные, работающие на трудноиспаряющемся дизельном топливе. В карбюраторных и газосмесительных двигателях горючая смесь приготовляется вне цилиндров двигателя в специальных приборах - карбюраторе или смесителе - и воспламеняется в цилиндре электрической искрой. В дизельных двигателях смесь образуется внутри цилиндров и воспламеняется от соприкосновения распыленного топлива со сжатым воздухом. Работа двигателя внутреннего сгорания основана на свойстве газов расширяется при нагревании. Если горючую смесь поместить в замкнутую полость и зажечь, то в результате нагрева образующихся газов давление будет повышаться тем больше, чем выше температура газов. В настоящей лекции рассматривается теория рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, применяющихся на современных транспортных средствах и средствах подвижности вооружения. Знание процессов, происходящих в двигателе внутреннего сгорания позволит качественно оценить эти процессы и получить отчетливое представление о тех путях, по которым можно улучшить экономические показатели двигателя при эксплуатации. Кроме того, знание этого материала позволит более качественно усвоить последующие темы программы. Учебный вопрос № 1. Общее устройство двигателя Процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращение ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах двигателей. 1 Двигатели внутреннего сгорания классифицируют по способу воспламенения рабочей смеси – на двигатели с принудительным воспламенением рабочей смеси от электрической искры и двигатели с самовоспламенением (дизели); по способу смесеобразования – на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные, с впрыскиванием топлива во впускной коллектор), у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутренним смесеобразованием (дизели и двигатели с принудительным воспламенением и впрыскиванием топлива в цилиндр), у которых смесеобразование происходит внутри цилиндров; по способу организации рабочего цикла – на четырех- и двухтактные по числу цилиндров – на одно-, двух- и многоцилиндровые; по расположению цилиндров – на двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд, на V-образные двигатели с различным углом развала, в том числе под углом 180°, которые называются оппозитными; по виду применяемого топлива – на двигатели, использующие бензин, газ, дизельное и другие виды топлив (многотопливные). Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов и систем, общее устройство и принцип работы которых целесообразно рассмотреть на примере четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя (рис.1, 2). Рис. 1. Четырехтактный одноцилиндровый дизельный двигатель Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также система питания, смазочная система и система охлаждения (рис. 3). 2 Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов и преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. 4). Рис. 3 . Основные механизмы двигателя Рис. 4. Кривошипношатунный механизм Состоит из цилиндра, головки, закрывающей цилиндр сверху, поршня с кольцами и пальцем, который соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Нижняя головка шатуна соединена с коленчатым валом, на заднем конце которого установлен маховик. Коленчатый вал вращается в подшипниках скольжения, расположенных в картере. Смазочная ёмкость картера используется как резервуар для масла. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск горючей смеси или воздуха (дизель) в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Этот механизм приводится в действие от коленчатого вала через шестеренчатую, цепную или клиноременную передачи. При этом распределительный вал, воздействуя на толкатели, штанги и коромысла, открывает впускной или выпускной клапаны, закрытие которых происходит под действием пружин. Учебный вопрос № 2 Принцип работы бензинового и дизельного двигателей 3 Работа двигателя внутреннего сгорания основана на свойстве газов расширяется при нагревании. Двигатель внутреннего сгорания. Взаимодействие механизмов и систем дизельного двигателя происходит следующим образом. Когда поршень опускается вниз, воздух через открытый впускной клапан поступает в цилиндр. При движении поршня вверх воздух сжимается, его температура повышается до 400-500 °С. Когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, в цилиндр впрыскивается топливо, смешиваясь с горячим воздухом, образуя горючую смесь, которая затем самовоспламеняется и сгорает. В процессе сгорания образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под действием давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Затем поршень двигается вверх и выталкивает отработавшие газы через открывающийся выпускной клапан. В бензиновом двигателе протекают похожие с первого взгляда процессы Полость цилиндра сверху закрывается головкой цилиндра с камерой сгорания, а снизу - масляным картером. Поршень, помещенный в цилиндр, может свободно перемещаться в цилиндре. Поршень при помощи пальца и шатуна шарнирно соединяется с кривошипом коленчатого вала. К валу крепится массивное чугунное колесо-маховик. Таким образом, поршень совершает прямолинейное поступательное движение вниз, а коленчатый вал - вращательное движение. Маховик, получив заряд кинетической энергии, будет продолжать некоторое время вращать вал с кривошипом и перемещать поршень вверх и вниз. Для подготовки цилиндра к новой вспышке и расширению газов (рабочему ходу) необходимо очистить цилиндр от продуктов сгорания, заполнить его новым зарядом горючей смеси и сжать эту смесь, вернув поршень в исходное положение, т.е. вверх цилиндра. Перемещаясь, поршень выталкивает продукты сгорания через открываемое выпускным клапаном отверстие. После выпуска отработавших газов открывается впускным клапаном другое отверстие - впускное; поршень перемещается вниз и, вследствие разряжения, цилиндр заполняется горючей смесью - происходит впуск. Чтобы воспламенить смесь, необходимо вернуть поршень в исходное верхнее положение и сжать смесь. Эта часть процесса называется сжатием. 4 Учебный вопрос № 3. Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания Как видим, для производства одного рабочего хода необходимо произвести три подготовительных - выпуск, впуск и сжатие. Каждый из этих процессов протекает за половину оборота коленчатого вала, а все четыре - рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие - за два оборота. Подготовительные процессы в одноцилиндровом двигателе происходят за счет энергии маховика, накопленной им при рабочем ходе. 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. В настоящее время двухтактные двигатели на военной автомобильной технике не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторных дизелях. Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно большой расход топлива и недостаточное наполнение горючей смесью из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов. В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом: Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разрежения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08-0,095 МПА, а температура 40-60 °С. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550-700°С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0-5,0 МПа. Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется 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 к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0,3-0,5 МПа, а температура – до 700-900 °С. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11-0,12 МПа, а температура – до 500-700 °С. После окончания 5 такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно отличаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр карбюраторного двигателя при такте впуска поступает не воздух, а горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, которая в конце такта сжатия воспламеняется от электрической искры системы зажигания. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис.17) рабочий цикл происходит следующим образом . Такт впуска. Поршень находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре образуется разрежение, равное 0,07-0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75-125 °С. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрывается, а выпускной – остается закрытым. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от конструкции двигателя давление в конце такта сжатия может составлять 0,8-1,5 МПа, а температура газов 300-450 °С. Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5-5 МПа, а температура газов 2100-2400 °С. При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура – до 900-1200 °С. Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105-0,120 МПа, а температура газов в начале такта 6 выпуска составляет 750-900 °С, понижаясь к его концу до 500-600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью. Учебный вопрос № 4. Параметры двигателя (ход поршня, объем камеры сгорания, степень сжатия, рабочий и полный объем цилиндра, рабочий объем двигателя и другие) Верхняя мертвая точка (ВМТ) - крайнее верхнее положение поршня. Нижняя мертвая точка (НМТ) - крайнее нижнее положение поршня. Ход поршня S - расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 1800 (пол-оборота). Такт - часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня. Объем камеры сгорания - объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ. Рабочий объем цилиндра - объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ. Полный объем цилиндра - объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндраVa равен сумме рабочего объема Vh цилиндра и объема Vc камеры сгорания. Рабочий объём двигателя или литраж двигателя для многоцилиндровых двигателей - это произведение рабочего объема Vh на число i цилиндров. Vл Vh i Степень сжатия Е - отношение полного объема Va цилиндра к объема Vc камеры сгорания Va Vh Vc Vc Vc Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия величина безразмерная. Чем выше степень сжатия, тем лучше экономичность и больше мощность двигателя. Это объясняется снижением тепловых потерь за счет уменьшения поверхности камеры сгорания и увеличения среднего давления в цилиндре. Требуемые значения степени сжатия для карбюраторных двигателей ограничиваются свойствами применяемого топлива (бензина) и в основном его антидетонационной стойкостью. Чрезмерно высокая степень сжатия приводит к Е 7 детонационному воспламенению смеси, сгорание ее происходит с очень большими скоростями и резкими местными повышениями давления в цилиндре. В результате этого нарушается нормальная работа двигателя, снижается его мощность и экономичность и возрастает износ деталей. Для обеспечения нормальных условий работы карбюраторного двигателя, степень сжатия должна быть не выше 6…10. При этом для двигателей с более высокими степенями сжатия применяется топливо с хорошими антидетонационными свойствами, т.е. высоким октановым числом бензина. Степень сжатия в дизельных двигателях колеблется в пределах 15…20. Для примера - технические характеристики двигателя автомобиля КАМАЗ 4310 (табл. 1). Таблица 1. Основные технические характеристики двигателя Форма контроля. В письменном виде ответить на следующие вопросы: 1. Как классифицируют двигатели внутреннего сгорания? 2. Что такое ход поршня, объем камеры сгорания, степень сжатия, рабочий и полный объем цилиндра, рабочий объем двигателя? Используемая литература 1. Вахламов, В.К. Подвижной состав автомобильного транспорта. - М.: Академия-М, 2003. – 480 с. 2. Карагодин, В.И., Шестопалов, С.К. Устройство и техническое обслуживание грузовых автомобилей. - М.: Транспорт-М, 2000. – 223 с.: 3. Косенков, А.А. Устройство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Типы и системы двигателей. - Ростов н/Д.: Феникс, 2004. – 448 с. 4. Передерий, В.П. Устройство автомобиля. - М.: ФОРУМ-М, 2006. – 288 с. 5. Пехальский А.П. Устройство автомобилей: - М.: Академия-М, 2005. - 528 с 8