Тема 7. Обще устройство и работа двигателей внутреннего сгорания.

Содержание темы: Классификация двигателей внутреннего сгорания, их общее устройство. Основные понятия и определения. Рабочий цикл дизеля, карбюраторного дви­гателя, отличие работы четырехтактного и двухтактного двигателя. Показатели работы двигателя.

Двигателем внутреннего сгорания называется устройство, пре­образующее тепловую энергию в механическою работу.

Принцип двигателя внутреннего сгорания был предложен немецким ученым Отто в 1877 г., когда он построил газовой двигатель. Работа двигателя Отто заключалась в том, что горючая смесь, состоящая из газа и воздуха, получалась вне цилиндра двигателя, затем она поступала в цилиндр, сжималась в нем и воспламеня­лась электрической искрой.

В России первый двигатель внутреннего сгорания, работавший на лег­ких топливах, был спроектирован капитаном русского флота О.С.Костовичем в 1879 г. и построен в Петербурге в 1885 г. В Германии в этом же году Даймлер и Бенц построили бензиновые двигатели малой мощности для не­больших самодвижущихся колясок.

Р. Дизель в Германии в 1893 г. предложил другой принцип осуществ­ления газовоздушного цикла. В цилиндре двигателя сжимался воздух, кото­рый вследствие большой степени сжатия нагревается до высокой температу­ры. Зажигание осуществляется в результате самовоспламенения топлива, впрыснутого через форсунку в среду раскаленного воздуха. В России первые двигатели Дизеля, работающие на нефти, стали изготавливать в 1899 г.

На отечественных тракторах и автомобилях устанавливают тепловые двигатели внутреннего сгорания, которые классифицируют по следующим основным признакам.

По способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием - карбю­раторные и газовые; с внутренним смесеобразованием - дизельные. Автомобильные двигатели с внешним смесеобразованием работают на лёгком топливе, в основном на бензине или газе. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные, газобаллонные и инжекторные системы питания.

По способу воспламенения горючей смеси: с принудительным воспла­менением от электрической искры - карбюраторные и газовые; с воспламе­нением от сжатия — дизельные двигатели.

По способу осуществления рабочего цикла: четырехтактные и двух­тактные двигатели.

По виду применяемого топлива: двигатели, работающие на жидком то­пливе (бензин, дизельное топливо) и работающие на газообразном топливе (сжатый или сжиженный газ).

По числу цилиндров: одноцилиндровые и многоцилиндровые (двух-, трех-, че­тырех-, шестицилиндровые и т.д.).

По расположению цилиндров: однорядные и двухрядные или V-образные (когда два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу)

Многорядные двигатели можно разделить на:

1) V – образные двухрядные двигатели, с углом развала цилиндров 90 и менее градусов; 2) U – образные двухрядные двигатели;

3) оппозитные двигатели с расположением цилиндров под углом 180 градусов друг;

4) W – образные трёхрядные двигатели и

5) двигатели с большим числом рядов цилиндров.

По способу охлаждения: с воздушным охлаждением и с жидкостным охлаждением.

По способу смазки: с принудительной смазкой деталей, смазкой разбрызгиванием и комбинированной смазкой.

На лесных тракторах применяются четырехтактные многоцилиндровые дизельные двигатели, для запуска которых часто используют одно- и двухцилиндровые двухтактные карбюраторные двигатели. На автомобилях, как правило, используются четырехтактные многоцилиндровые карбюраторные двигатели.

Все механизмы двигателей выполняют определенные функции и име­ют однотипную конструкцию.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов и пре­образует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное дви­жение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра 13, поршня 16, поршневого пальца 15, шатуна 17, коленчатого вала 19 и маховика 18. Сверху цилиндр закрыт головкой 12.

Механизм газораспределения предназначен для своевременного открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий, распределения воздуха или горючей смеси по цилин­драм и удаления из них отработанных газов.

Он состоит из распределительного вала 2, шестерен 1 привода распределительного вала, впускного 11 и выпускного 8 клапанов, толкателя 3, пружины 4 клапанов.

Общее устройство двигателя:

1 - шестерня привода распределитель­ного вала; 2 - распределительный вал; 3 - толкатель; 4 - пружина; 5 - выпу­скная труба; 6 - впускная труба; 7 - карбюратор; 8 - выпускной клапан; 9 - привод к свече зажигания; 10 - све­ча зажигания; 11 — впускной клапан; 12 - головка цилиндра; 13 - цилиндр; 14 -рубашка охлаждения; 15 - поршневой палец; 16 - поршень; 17 - шатун; 18 -маховик; 19 - коленчатый вал; 20 –поддон картера.

Система питания в дизельном двигателе служит для подачи в цилиндр воздуха и мелкораспыленного топлива, а в карбюраторном - для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндрам. В дизельном двигателе система питания состоит из топливного бака, топливопроводов, топливного и воздушного фильтров, подкачивающего и топливного насосов, форсунок, впускного 6 и выпускного трубопроводов. В системе питания карбюраторного двигателя вместо топливного насоса и форсунки на впускном трубопроводе уста­навливают карбюратор 7.

Регулятор скорости изменяет количество по­даваемого топлива или горючей смеси путем регулирования частоты враще­ния коленчатого вала на различных режимах работы двигателя.

Система охлаждения отводит тепло от нагретых деталей двигателя. Она бывает жидкостная и воздушная. В жидкостную систему ох­лаждения входят водяной насос, вентилятор, рубашка охлаждения, радиатор и термостат. В двигателях с воздушным охлаждением цилиндры и головка блока имеют охлаждающие ребра.

Смазочная система служит для непрерывной подачи масла к трущимся деталям двигателя для уменьшения трения, охлаждения, защиты от коррозии и вымывания продуктов изнашивания. Она включает масляный бак, масля­ный насос, фильтры для очистки масла, радиатор, маслопроводы.

Система пуска предназначена для запуска двигателя. В дизельном дви­гателе к ней относится пусковой карбюраторный двигатель с механизмами передачи, декомпрессионный механизм, система подогрева жидкости и воз­духа. В настоящее время все большее распространение получил запуск дви­гателя с помощью электростартера.

Система зажигания служит для воспламенения горючей смеси от электрической искры. В систему зажигания пусковых карбюраторных двига­телей входят магнето, свеча зажигания, провода. В дизельных двигателях системы зажигания нет.

На автотранспортные средства устанавливают двигатели различных конструкций, среди которых большее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Гораздо в меньшей степени используются роторные двигатели внутреннего сгорания (двигатели Ванкеля), и всё большее число производителей склоняется к применению комбинированных (гибридных) установок, объединяющих в себе поршневой ДВС и электродвигатель. На части техники устанавливаются  газотурбинные двигатели и электродвигатели.          

К поршневым ДВС относятся  дизельные двигатели, с самовоспламенением топливно-воздушной смеси и двигатели Отто, с воспламенением смеси от постороннего источника тепла, например от электрической искры, образующейся между электродами свечи системы зажигания. Такие двигатели называют двигателями с искровым зажиганием. По конструкции кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов дизельные двигатели и двигатели Отто практически не отличаются.

Роторные двигатели внутреннего сгорания имеют ряд преимуществ перед поршневыми двигателями и ряд недостатков, сдерживающих их широкое применение. С двигателем экспериментировали многие известные автомобилестроительные фирмы, включая Волжский Автомобильный Завод (ВАЗ), но на сегодняшний день, пожалуй, только «Мазда» серийно устанавливает их на спортивные версии своих машин. В  двигателе Ванкеля роль поршня выполняет ротор, имеющий форму равностороннего треугольника со скруглёнными вершинами и слегка выпуклыми сторонами, вращающийся в овальном корпусе (цилиндре) по сложной траектории (эпитрохоиде).           Комбинированные (гибридные) двигатели имеют в своём составе двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, осуществляющий передачу крутящего момента на коленчатый вал ДВС или непосредственно на ведущие колёса автомобиля.          Термин «комбинированный двигатель» также применяется для поршневых двигателей, имеющих в своём составе газовую турбину и компрессор (турбокомпрессорный двигатель).           Газотурбинные двигатели, как самостоятельные силовые установки, широкого распространения на автомобильной технике не имеют. Их применение в основном ограничено в качестве вспомогательных агрегатов поршневых двигателей. Например, газотурбинные системы наддува ДВС.

Сравнительная оценка дизельных и карбюраторных двигателей

Дизельный двигатель, по сравнению с карбюраторным двигателем, имеет следую­щие преимущества:

-для выполнения единицы произведенной работы расхо­дуется в среднем на 20... 25% (по массе) меньше топлива вследствие более высокой степени сжатия; -КПД в среднем на 5... 10% выше за счет сокраще­ния тепловых потерь;

-работает на более тяжелых сортах топлива; используе­мое топливо дешевле и менее огнеопасно.

Вместе с тем дизельный двигатель имеет ряд недостатков. Так, проч­ность отдельных деталей должна быть выше из-за более высокого давления газов в цилиндре, а это ведет к увеличению массы и размеров двигателя; бо­лее сложен запуск, особенно в зимнее время.

Преимущества двухтактного двигателя по сравнению с четырехтакт­ным заключаются в следующем. В связи с тем, что рабочий ход совершается за каждый оборот коленчатого вала, его мощность на 60... 70% выше; работа­ет более равномерно; устройство и эксплуатация проще, в особенности при кривошипно-камерной продувке, т.к. не имеет специального механизма газо­распределения.

Недостатки двухтактного двигателя: не экономичен, так как до 30% го­рючей смеси теряется при выпуске из цилиндра отработанных газов; после продувки в цилиндре остается много отработанных газов, что уменьшает степень его наполнения; кривошипная камера, которая служит для продувки и зарядки цилиндра свежей смесью, не обеспечивает ее подачу в достаточном количестве; из-за наличия процесса расширения при каждом обороте колен­чатого вала более высокая температура создает тяжелые условия для работы основных сборочных единиц и деталей двигателя.

Работа многоцилиндрового двигателя. Из описания работы четырехтактного двигателя вытекает, что его ко­ленчатый вал вращаться равномерно не может, так как при одном такте (ра­бочем ходе) он вращается с ускорением, а при остальных - с замедлением. Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце ус­тановлен маховик. Для достижения большей мощности повышают частоту вращения коленчатого вала, отчего его вращение становится более равно­мерным; кроме того, с этой же целью устанавливают несколько цилиндров. Такие двигатели называются многоцилиндровыми. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал наиболее равномерно, такты рабочих ходов должны следовать через равные промежутки времени, т.е. через равные углы п о в о р о т а коленчатого вала. Расположение цилиндров многоцилиндровых двигателей может быть однорядным или двухрядным. В большинстве однорядных двигателей цилиндры располагаются вертикально (рис. а). Такое распо­ложение имеют двигатели Д-240 (трактор Т-70Л), СМД-14БН (тракторы ТДТ-55А, ЛХТ-55М), СМД-18БН (тракторы ЛХТ-100, ЛХТ-100Б, ТЛТ-100), А-О1МЛ (трактор ЛХТ-4). В двухрядных двигателях цилиндры установлены под некоторым углом друг к другу. Если в двигателях с двухрядным распо­ложением цилиндров угол между ними менее 180°, их называют V-образными (рис. б), например СМД-60 (ЛТ-157) и ЯМЗ-238НБ (Т-703), а в случае, когда угол между цилиндрами равен 180° - оппозитными (рис. в).

а)

К лапаны каждого цилиндра открываются в такой последовательности, при которой одноименные такты в

цилиндрах двигателя чередуются в определенном порядке.

Схемы расположения цилиндров двигателя:

а - однорядное; б - V-образное; в - двухрядное, оппозитное

Чередование тактов рабочего хода называется порядком работы цилиндров. Четырехцилиндровый двигатель можно представить как соединенные вместе четыре одноцилиндровых двигателя с одним общим коленчатым валом, кривошипы которого расположены в одной плоскости.

Два крайних колена направлены в одну сторону, а два внутренних - в другую. В этом случае поршни движутся попарно. Когда в первом и четвертом цилиндрах поршни опуска­ются, во втором и третьем они поднимаются. При таком расположении колен возможен порядок работы 1-3-4-2 (см. табл.). К таким двигателям относятся Д-240 и СМД

Работа четырехтактного 4-х цилиндрового двигателя: а, б, в, г - полуобороты коленчатого вала

а-Такт впуска б- Такт сжатия в- Такт расширения г- Такт выпуска

В шестицилиндровых однорядных двигателях колена вала расположе­ны под углом 120° друг к другу и симметрично относительно оси вала.

Поря­док работы может быть 1-5-3-6-2-4 (А-01)

В восьмицилиндровых V-образных четырехтактных двигателях угол между осями цилиндров левой и правой групп равен 90^е. Перекрытие тактов расширения в различных цилиндрах происходит в течение одного поворота коленчатого вала на угол 90°, поэтому его вращение равномерное.

Порядок работы таких двигателей 1-5-4-2-6-3-7-8 (ЯМЗ-238НБ).

Порядок работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя

Полуоборо­ты коленча­того вала	Углы пово­рота колен­чатого вала	Цилиндры
		1	2	3	4
1	0-180	Рабочий ход	Выпуск	Сжатие	Впуск
2	180-360	Выпуск	Впуск	Рабочий ход	Сжатие
3	360-540	Впуск	Сжатие	Выпуск	Рабочий ход
4	540-720	Сжатие	Рабочий ход	Впуск	Выпуск

Основные понятия и определения двигателя. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется положение порш­ня в цилиндре, при котором расстояние от оси коленчатого вала до днища поршня будет наибольшим.

Нижней мертвой точкой (НМТ) называется положение днища поршня, соответствующее наименьшему его расстоянию от оси коленчатого вала.

Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками назы­вается ходом поршня S.

При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на 180°: S=2r,

где r радиус кривошипа коленчатого вала.

Объем, освобождаемый поршнем при перемещении от верхней мертвой точки к нижней, называется рабочим объемом цилиндра: V_h = (d ²/4)*S

где d — диаметр цилиндра; S — ход поршня.

Литраж двигателя V_л определяется произведением рабочего объема цилиндра V_h на число цилиндров i: V_л = V_h i.

Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в верхней мертвой точке, называется объемом камеры сжатия V_c.

Сумма объемов камеры сжатия V_c и рабочего объема V_h назы­вается полным объемом V_a:

V_a = V_c+V_h

Степень сжатия е выражается отношением полного объема к объему камеры сжатия:

η = V_c+V_h / V_c

Степень сжатия — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз объем камеры сжатия меньше полного объема цилин­дра. В дизельных двигателях степень сжатия

η = 14... 22, в карбюра­торных — η = 6... 10.

Рабочий цикл двигателя — это периодически повторяющаяся последовательность процессов в цилиндре, обеспечивающая рабо­ту двигателя. Процесс, происходящий в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки к другой, называется тактом.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т.е. за два оборота коленчатого вала, называются четы­рехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, называют­ся двухтактными. Из всех тактов рабочего цикла только при такте расширения газов совершается полезная работа. Поэтому он на­зывается рабочим тактом (ходом). Остальные такты совершаются за счет кинетической энергии, накопленной при рабочем ходе, и являются вспомогательными.

Показатели работы двигателя. Развивая определенный крутящий момент, двигатель совершает рабо­ту. Работа, выполненная в единицу времени, называется мощностью. Мощность двигателя зависит от степени использования тепла, которое выде­ляется при горении топлива в цилиндре. В полезную работу превращается только 30... 40% выделившегося тепла, остальное тепло уходит с отработан­ными газами, отводится от нагретых деталей двигателя и теряется.

Различают индикаторную и эффективную мощности.

Индикатор­ной называют мощность, которая развивается газами внутри цилиндра дви­гателя. Давление газа в цилиндре измеряют с помощью специального прибо­ра - индикатора. Индикаторную мощность (в киловаттах) можно определить по формуле:

N_i =P _I V_h i n / τ

где Pi - индикаторное давление, МПа;

i - число цилиндров двигателя;

п - частота вращения коленчатого вала, с"¹;

т — тактность двигателя, об.

Индикаторное давление четырехтактных и двухтактных дизельных двигателей составляет 0,6... 1,1 МПа(6... 11 кгс/см²).

Тактность двигателя - это число, показывающее, за сколько обо­ротов коленчатого вала совершается рабочий цикл. Для четырехтактных дви­гателей т = 2, для двухтактных - т = 1.

При работе двигателя часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление сопротивления трения движущихся деталей двигателя. Мощ­ность, равноценная этим потерям, называется мощностью трения N i.

Мощность двигателя, снимаемая с его коленчатого вала, называется эффективной мощностью (N_э). Она определяется по формуле: N э=N_i - N_T, кВт.

Отношение эффективной мощности к индикаторной, - называется механическим коэффициентом полезного действия (г)_м) η_m = N_e / N,. При работе с полной нагрузкой для четырехтактных дизельных двигателей η = 0,73... 0,85; для двухтактных - η_м =0,70... 0,75.

Среднее эффективное давление (Р_е) меньше среднего индикаторного: Р_е = Р, η_м. Для дизельных двигателей среднее эффективное давление составляет: для четырехтактных Р_е = 0,5... 0,85 МПа, для двухтактных Р_е = 0,4... 0,75 МПа.

Эффективную мощность можно выразить через индикаторную мощность:

Мощность двигателя зависит от его литража, давления газов в цилинд­рах, частоты вращения коленчатого вала и тактности.

При подборе двигателя с точки зрения рационального использования размеров цилиндров пользуются понятием литровая мощность. Литровая мощность - это эффективная мощность, отнесенная к 1 л объема двигате­ля, измеряется в киловаттах на литр, (кВт/л):

N _л = N _е / V _л = Р_е n / τ

В зависимости от совершенства конструкции и технического состояния двигатель для выполнения одной и той же полезной работы расходует то или иное количество топлива. Масса топлива, расходуемого двигателем в едини­цу времени, называется расходом топлива. Зная расход топлива, можно определить индикаторный и эффективный удельные расходы топлива.

Удельный индикаторный расход топлива — это масса топ­лива, расходуемая на единицу индикаторной мощности в 1 ч (g ₁):

g ₁ =3600 G r / Ni , кг\ кВт ч,

Gr-расход топлива, кг\с.