Лабораторна робота №1 силові вузли трубопровідно-будівельних машин

1. Мета роботи

Навчитись визначати різні типи двигунів, їх призначення, конструктивні особливості. Необхідно вивчити основні системи та механізми цих машин.

1. Програма роботи

1)На стенді карбюраторного двигуна внутрішнього згорання слід визначити його основні механізми і системи. Необхідно знати їх призначення і склад.

2)Вивчити будову кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів, системи живлення, змащування, охолоджування та запалю­вання.

3)Визначити основні конструктивні параметри поршневого двигунів внутрішнього згорання і їх ступінь стиску.

2. Основні теоретичні положення, які необхідні для виконання роботи.

Двигуни внутрішнього згорання

Це такі двигуни, в яких паливо згорає безпосередньо всере­дині робочого циліндру або в камері згорання двигуна. Вони є ос­новним типом силових установок, які застосовуються в машинах для будівництва магістральних трубопроводів, оскільки вони най­кращим чином забезпечують роботу машини в різних умовах, роб­лячи її незалежною від зовнішнього джерела енергії. Цей тип дви­гунів має наступні позитивні властивості: мала питома вага (відно­шення ваги до потужності), постійна готовність до роботи, відносно високий к.к.д. (г) =0,2 - 0,45), незначна кількість споживаної води (тільки для охолодження), можливість регулювання в деяких межах швидкості обертання,

До недоліків двигунів внутрішнього згорання відносяться не­здатність до великих перевантажень (тому потужність двигуна під­бирається з режиму максимального навантаження), неможливості безпосереднього реверсування і запуску під навантаженням, менша довговічність у порівнянні з іншими типами двигунів.

У залежності від кінематики розрізняють двигун з обернено-поступовим (поршневі) та обертовим рухом первинної робочої лан­ки (газотурбінні).

У залежності від виду палива розрізняють двигуни, що пра­цюють на рідкому паливі (гас, бензин, дизельне паливо) і газоподі­бному (стиснутому або зрідженому газі).

У залежності від методу утворення горючої суміші та її запа­лювання двигуни бувають: з зовнішнім утворенням суміші, де вона утворюється за межами робочого циліндра в спеціальному пристрої (карбюраторні) і електричним запалюванням робочої суміші; дви­гуни з внутрішнім утворенням суміші (суміш утворюється безпосе­редньо в робочому циліндрі) і займання палива здійснюється від високої температури, яка виділяється при його стику (дизельні).

Двигуни внутрішнього згорання застосовуються головним чином у самохідних машинах, які пересуваються незалежно від на­явності зовнішнього живлення електроенергією. Найширше засто­сування в машинах для будівництва трубопроводів знайшли дизе­льні двигуни, які працюють на важкому дизельному паливі, коефі­цієнт корисної дії яких досягає 30-35%, а питома витрата палива на 1кВт потужності становить 190-205 г. Витрата бензину у карбюра­торних двигунах становить на 1кВт потужності 280-340 г.

Карбюраторні двигуни

Це двигуни, в яких паливо змішується в спеціальному пристрої - карбюраторі, а горюча суміш запалюється від електричної іскри. Вони встановлюються, головним чином, на автомобілях ма­лої і середньої вантажопідйомності, а також на тракторах для запу­ску основних двигунів. Паливом карбюраторних двигунів служить бензин, лігроїн, гас, бензол, спирти.

Діапазон зміни складу суміші для карбюраторних двигунів значно менший, ніж для двигунів інших типів. Можливе збіднення суміші в цьому двигуні обмежується межею її горіння. Більше зба­гачення суміші не застосовується внаслідок зниження економічнос­ті. Тому якісне регулювання складу суміші ускладнено відміченими вище вузьким можливим його діапазоном, а застосовується, в осно­вному, кількісне регулювання.

Карбюраторні двигуни мають відносно низьке значення сту­пенів стиску (Е = 13). Його підвищення при наявності зовнішнього у творення суміші обмежується появою детонаційного згорання, що різко збільшує динамічні навантаження і приводить до передчасно­го виходу двигуна з ладу. Відносно низькі ступені стиску не дозво­ляють повністю використовувати роботу розширення газу. З цієї причини карбюраторні двигуни відносяться до розряду порівняно малоекономічних.

Однак, з іншої сторони, застосування відносно низьких сту­пенів стиску зумовлюють більш низькі навантаження на деталі дви­гуна при його роботі. Крім того, швидкість наростання навантажен­ня в карбюраторних двигунах нижча ніж в дизельних. Тому деталі карбюраторних двигунів виготовляють менш масивними, ніж деталі дизельних двигунів, що зменшує загальну вагу двигунів. Крім того, пуск карбюраторних двигунів може здійснюватися малопотужним слєктростартером.

Робочий процес карбюраторного чотиритактного двигуна складається із тактів впуску, стиску, робочого та випуску.

Такт впуску (рис. 2.1, а) характерний тим, що при переміщен­ні поршня із в.м.т в н.м.т. в порожнині циліндра утворюється розрі­дження (дільниця га на індикаторній діаграмі), завдяки чому в ци­ліндр поступає із карбюратора горюча суміш через відкритий газорозподільним механізмом впускним клапаном. Змішуючись з зали­шками відроблених газів, горюча суміш перетворюється в робочу.

Схема роботи та індикаторна діаграма чотиритактно­го карбюраторного двигуна

Рисунок 2.1.

При такті стиску (рис. 2.1, б) поршень проходить через н.м.т. і починає переміщуватися у в.м.т. Впускний клапан закривається і поршень починає стискувати горючу суміш у циліндрі. При цьому тиск підвищується до значення, що на діаграмі відповідає точці с. Це значення залежить від конструкції двигуна і характеризується ступенем стиску Е. З його збільшенням до деякої межі потужність двигуна і його економічні показники зростають. При цьому, темпе­ратура і тиск горючої суміші в кінці такту значно підвищуються (Рс~1-4 МПа). В момент, коли поршень трохи не дійде до в.м.т. (то­чка с), робоча суміш підпалюється електричною іскрою, що про­скакує між електродами запальної свічки. Кут, що утворюється в цей момент положенням кривошипу по відношенню до його поло­ження у в.м.т., називається кутом випередження запалення. Практи­чно його значення становить 20-45°. При запалюванні робочої су­міші тиск всередині суміші різко зростає за рахунок утворення га­зоподібних продуктів згорання і виділення великої кількості тепла, яке підвищує температуру газів. На діаграмі тиск відповідає точці г {р_:~ 4-10МПа). При робочому такті (рис. 2.1, в) під тиском газів по­ршень переміщається від в.м.т. до н.м.т., здійснюючи корисну ро­боту. В процесі розширення газів тиск і температура знижується, на діаграмі це відповідає кривій гЬ ( Рь - 0,3 - 0,4 МПа). У момент, коли поршень буде знаходитися поблизу н.м.т., відкривається випу­скний клапан і відпрацьовані гази вийдуть в атмосферу.

Такт впуску (рис. 2.1, г) характеризується переміщенням по­ршня від н.м.т. до в.м.т, коли він виштовхує із внутрішньої порож­нини циліндра продукти згорання (відпрацьовані гази), які, виходя­чи через отвір випускного клапана, чинять незначний опір. Тому тиск газів в циліндрі буде складати 0,11- 0,125 МПа. На діаграмі цей такт відповідає дільниці Ьг. Після його закінчення робочий цикл двигуна повторюється в такій же послідовності.

На відміну від чотиритактних, в двотактних двигунах очис­тка робочого циліндра від продуктів згорання і наповнення свіжою горючою сумішшю відбувається попередньо стиснутою до певного тиску горючою сумішшю. В цьому двигуні відсутні клапани. Впуск горючої суміші і випуск відпрацьованих газів двигуна здійснюється через вікна в циліндрі, які своєчасно відкриваються і закриваються поршнем.

При першому такті поршень рухається вверх і перекриває ви­пускні вікна в циліндрі, в результаті чого робоча суміш над порш­нем стискується. Одночасно під поршнем створюється розрідження.

Тоді із карбюратора через випускні вікна циліндра робоча суміш засмоктується в кривошипну камеру.

Під час другого такту під тиском газу, що утворився при зго­ранні робочої суміші, поршень переміщується вниз, здійснюючи робочий хід, який проходить до того часу, поки відкриються випус­кні вікна і почнеться випуск відпрацьованих газів через випускну трубу назовні. При русі поршня вниз горюча суміш в кривошипній камері стискується. В кінці такту поршень відкриває вікно продув­ного каналу і горюча суміш нагнітається із кривошипної камери в циліндр, витісняючи із нього відпрацьовані гази. Проходить проду­вання і одночасне наповнення циліндра свіжою горючою сумішшю. При цьому, горюча суміш частково виходить разом з відпрацьова­ними газами. Двотактний двигун називають ще двигуном з криво­шипно-камерним продуванням. Конструкція двигуна досить проста, робота його більш рівномірна тому, що робочий хід проходить при кожному обертанні колінчастого валу. Однак, неповне видалення під час продування відроблених газів і частковий винос з газами свіжої горючої суміші різко збільшує розхід палива і зменшує його

потужність.

Двотактні карбюраторні двигуни застосовуються в тих випа­дках, коли простота конструкції, малі габарити, легкість і дешевиз­на мають переваги над економічністю. їх використовують в мото-пилах, вібромолотах та як пускові двигуни дизелів.

Дизельні двигуни

Дизельні двигуни, на відміну від карбюраторних, є двигунами з внутрішнім утворенням суміші. Запалювання суміші здійснюється не від постороннього джерела (електричної іскри), а від високої те­мператури стиснутої суміші в циліндрі двигуна. Тому дизелі мають високу ступінь стиску (до 22). Мінімально допустиму ступінь стис­ку вибирають із умови забезпечення надійного пуску. Дизелі більш економічні у порівнянні з карбюраторними двигунами. Тому ці двигуни знайшли широке застосування в сучасних тракторах і ма­шинах для будівництва магістральних трубопроводів.

Робочий цикл чотиритактного дизельного двигуна аналогіч­ний робочому тиску карбюраторного двигуна, індикаторна діаграма дизеля принципово не відрізняється від діаграми карбюраторного двигуна.

При такті впуску (рис. 2.2, а) поршень рухається із в.м.т. в н.м.т, засмоктуючи в циліндр повітря у зв'язку з відсутністю карбю­ратора опір всмоктування трохи менший і тому тиск більший, ніж в карбюраторних двигунів.

Такт стиску (рис. 2.2, б) відбувається при зворотному пере­міщенні поршня від н.м.т. до в.м.т. При цьому впускний клапан за­кривається і повітря в циліндрі стискається. Поблизу в.м.т. в ци­ліндр вприскується спеціальною форсункою паливо, яке нагнітаєть­ся насосом високого тиску (тиск вприскування складає 8-13 МПа). Для своєчасного самозапалювання палива температура повітря все­редині циліндра повинна бути якнайвищою. Тому ступінь стиску в дизелів значно вища, ніж у карбюраторних двигунів і складає 13-22 (р = 4-7,5 МПа). Дальше збільшення ступені тиску обмежується різ­ким підвищенням навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму, що супроводжується підвищеним зносом поверхонь тер­тя і збільшує втрати на тертя.

Паливо у дизельних двигунах випускається в момент, коли поршень не дійшов до в.м.т. на віддаль, що визначається кутом по­вороту колінчатого валу в 4-13°, тому періоди утворення суміші дуже малі. Частинки палива перемішуються з повітрям, випаровую­чись, нагріваються від дотику з ним до температури самозапалення. І Іеріод від початку вприску палива до моменту його самозапалення називається періодом затримки самозапалення. Він залежить від якості розпиленого палива, температури газів в циліндрі, а також октанового числа палива. При більшому періоді затримки самоза­палення, значна кількість палива, що накопичилось в камері зго­рання, згорає майже одночасно, що викликає різке підвищення ти­ску і викликає стуки в двигуні (так звана "жорстка робота").

При робочому такті (рис. 2.2, в) поршень переміщується від в.м.т. до н.м.т., здійснюючи корисну роботу. Тиск всередині цилін-

дра падає до 0,25 - 0,3 МПа. При наближенні поршня до н.м.т. ви­пускний клапан відкриває вихід відпрацьованим газам.

Процес випуску (рис. 2.2, г) характерний тим, що, минувши н.м.т., поршень рухається до в.м.т., виштовхуючи із циліндра про­дукти згорання.

Схема роботи чотиритактного дизельного двигуна Рисунок 2.2.

Кривошипно-шатунний механізм призначений для перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертовий рух колінчастого вала. Він складається з головки циліндра, поршня з кільцями, шатуна, колінчастого вала і маховика. Верхня головка шатуна шарнірно з'єднана з поршнем за допомогою пальця, а нижня головка також шарнірно-з'єднана з колінчастим валом.

До кривошипно-шатунного механізму багатоциліндрових двигу­нів належать такі деталі: • картер (блок циліндрів) з головкою й ущільнювальними прокладками; • поршнева група (поршні, порш­неві кільця, поршневі пальці); • шатуни; • колінчастий вал; • ма­ховик; • піддон картера.

Картер (рис. 2.3) — це найбільша й найскладніша деталь двигуна, як правило, коробчастого перерізу, що править за опору для робочих деталей та механізмів і захищає їх від забруднення. Іноді циліндри виготовляються разом із картером, тоді ця деталь називається блок-картером.

Блок циліндрів відливають із чавуну або алюмінієвих сплавів. У блок уставляють гільзи, які безпосередньо обмиваються охолод­ною рідиною й тому називаються «мокрими». У верхню частину гільз, виготовлених із сірого чавуну, для підвищення корозійної стій­кості та зменшення спрацювання запресовують вставки зі спеціаль­ного антикорозійного чавуну. Ущільнення гільз циліндрів у верхній частині блока здійснюється сталеазбестовими прокладками головок блока, а в нижній частині — мідними прокладками. Верхні кромки гільз мають виступати над площиною блока циліндрів на 0,02... ...0,09 мм.

У середній частині блока є поперечні перегородки. Площину роз­няття картера опущено нижче від осі колінчастого вала для надання блоку потрібної жорсткості. По осі блока на стінці коробки штовхачів, а також у передній та задній стінках блока є отвори для підшип­ників розподільного вала.

1 – блок циліндрів; 2 – кришка розподільних шестерень; 3 – прокладка; 4 – головка блока циліндрів; 5,9,10 – отвори для охолодної рідини; 6,8 – впускні канали; 7 – камера згоряння; 11 – сідло клапана; 12 – гільза циліндра