книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

зами при давлении 0,105—0,125 МН/м2 (точка г). По мере перемещения

поршня давление в цилиндре понижается, становится равным атмос­ ферному, а затем — ниже его. Вследствие создавшегося разрежения в цилиндре атмосферный воздух поступает в карбюратор, служащий для приготовления горючей смеси, которая заполняет надпоршневое пространство. В конце впуска (точка а) давление рабочей смеси равно

0,07—0,095 МН/м2, а температура 70—100°С. Повышение температу­ ры рабочей смеси в процессе всасывания объясняется соприкоснове­ нием ее с горячими деталями двигате­ ля и перемешиванием с остаточными газами.

Второй такт — сжатие рабочей смеси. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. (линия а—с). На начальной

стадии такта сжатия давление в ци­ линдре до точки 1 меньше атмосфер­

ного, поэтому на этом участке при от­ крытом впускном клапане происходит еще заполнение цилиндра рабочей смесью. При дальнейшем движении поршня вследствие запаздывания за­ крытия впускного клапана при значи­ тельной частоте вращения, а следова­ тельно, и большом скоростном напоре рабочей смеси возможна дозарядка цилиндров. Однако следует иметь в виду, что в этот период при малой

частоте вращения не исключен выброс смеси в атмосферу. После за­ крытия впускного клапана начинается собственно процесс сжатия ра­ бочей смеси в цилиндре. Давление в конце сжатия (точка с), в зави­ симости от сепени сжатия е, составляет 0,6— 1,2 МН/м2, а температура 350—450° С. Степень сжатия в карбюраторном двигателе выбирается такой, чтобы температура в конце сжатия была ниже температуры самовоспламенения паров бензина и обеспечивалось бездетонационное сгорание топлива.

В конце такта сжатия, когда поршень подходит к в. м. т. (точка 2),

срабатывает прибор зажигания, в результате чего между электродами свечи образуется электрическая дуга, от которой воспламеняется ра­ бочая смесь.

Третий такт— сгорание рабочей смеси и расширение продуктов сгорания. Оба клапана закрыты (линия с—г). Сгорание топлива со­

провождается выделением большого количества тепла, что приводит к резкому повышению температуры (до 1800 -f- 2300° С) и давления (до 2 -т- 4 МН/м2). Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень от в. м. т. к н. м. т. и совершают при этом полез­ ную работу (линия г—Ь).

При расширении температура и давление газов в цилиндре понижа­ ются. Для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов и для

117

уменьшения работы выталкивания выпускной клапан открывается рань­

газов в цилиндре резко снижается.

Четвертый такт — выпуск отработавших газов. Поршень движет­ ся от н. м. т. к в. м. т. Выпускной клапан открыт. Происходит выпуск отработавших газов из цилиндра в атмосферу (линия b—г). Темпера­

тура отработавших газов 650—900° С.

В рассмотренном четырехтактном карбюраторном двигателе полез­ ная механическая работа совершается только во время расширения

выполняются за счет работы других цилиндров и инерции маховика. Работа газов в цилиндре за цикл равна разности положительной

площадки индикаторной диаграммы, ограниченной линиями сжатия

количества горючей смеси, поступающей в цилиндр.

Экономичность карбюраторных двигателей зависит от степени сжа­ тия. Чем больше степень сжатия е, тем выше к. п. д. двигателя. Одна­ ко величина ее в карбюраторных двигателях обычно не превышает

7,5— 10.

Применение легких топлив и внешнего смесеобразования облегчает пуск двигателя и позволяет строить их с большой частотой вращения (п — 3000 ~ 5000 об/мин), что обеспечивает малые вес и габариты.

Четырехтактные карбюраторные двигатели применяют на автопо­ грузчиках, грузовых автомобилях и других передвижных установках небольшой мощности.

§ 67. Двухтактный карбюраторный двигатель

Рабочий цикл в двухтактных двигателях совершается за два хода поршня, или за один оборот коленчатого вала. В этих двигателях впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов заменены продувкой ци­ линдров, производимой под давлением при нахождении поршня у н. м. т. Повышенное давление рабочей смеси обычно создается поршнем во внутренней полости картера двигателя. Такая продувка цилиндров

части цилиндра на одной его стороне размещаются впускные 1 и вы­ пускные 2 окна, а на другой — продувочные 4, которые соединены

118

с внутренней полостью картера двигателя. Окна открываются и закрьЕ ваются поршнем. Для улучшения продувки цилиндра наднище порш­ ня имеется выступ 3, направляющий поток рабочей смеси в верхнюю

часть цилиндра.

В двухтактных двигателях часть хода поршня, которую он соверша­ ет при открытых продувочных и выпускных окнах, считается нерабо­ чей. Соответствующий этому ходу поршня объем цилиндра называется потерянным Ѵъ. Действительный рабочий объем цилиндра Vh в двух-

тактных двигателях меньше объема, описываемого поршнем Vh при его перемещении от в. м. т. к н. м. т., на величину Ѵь.

В связи с этим в двухтактных двигателях различают две степени сжатия:

геометрическую

Ѵс

и действительную

Величина потерянного объема Ѵъ в автомобильных карбюратор­

ных двигателях достигает 20—25% от объема, описываемого поршнем. Рассмотрим принцип работы двигателя (см. рис. 56). Если поршень движется вверх, в картере создается разрежение. При ходе к в. м. т. поршень своей нижней кромкой открывает впускное окно, и в картер из карбюратора засасывается горючая смесь. Одновременно в надпоршневом пространстве сжимается горючая смесь (рис. 57, линия а—с). После воспламенения ее от электрической искры (точка 1) происходит

сгорание топлива, в результате чего давление в цилиндре резко возрас­ тает (линия с—г). Под действием давления поршень перемещается от в. м. т. к н. м. т., совершая рабочий^ход (линия z—b). При этом давле-

119

ние и температура газов понижаются. После закрытия нижней кромкой поршня впускного окна начинается сжатие горючей смеси в картере.

При дальнейшем движении поршня вниз его верхняя кромка сна­ чала открывает выпускные окна (точка Ь) и начинается выпуск от­ работавших газов из цилиндра, а затем — продувочные окна (точка е).

К моменту их открытия давление в цилиндре снижается с 0,4— 0,6 МН/ма до давления продувки.

Сжатая в картере горючая смесь под давлением 0,11—0,125МН/м2 через продувочные окна поступает в цилиндр, вытесняя из него остав­ шиеся продукты сгорания. При нахождении поршня в н. м. т. выпуск­ ные и продувочные окна открыты полностью (точка d). Во время дви­

жения поршня от н. м. т. к в . м. т. сначала закрываются продувочные (точка k), а затем — выпускные (точка а) окна. Процесс выпуска га­

чей смеси выбрасывается в атмосферу и в цилиндре остается до 25% по весу отработавших газов. Это снижает экономичность двигателя и уменьшает его литровую мощность.

На индикаторной диаграмме процесс выпуска изображается ли­ нией b—d—а, а процесс наполнения — е—d—k.

Достоинствами двухтактных двигателей по сравнению с четырех­ тактными являются:

1) более простая их конструкция вследствие отсутствия клапанов

иприводов к ним;

2)большая мощность при одинаковых частоте вращения и объеме цилиндров. Теоретически мощность должна возрастать в 2 раза. Прак­ тически вследствие плохой очистки цилиндра от остаточных газов и не­ полного использования рабочего объема его мощность возрастает все­ го в 1,4— 1,6 раза;

3)большая равномерность вращения вала, что позволяет исполь­ зовать более легкие маховики;

4)меньший уровень шума при работе.

Несмотря на указанные преимущества, двухтактные карбюратор­ ные двигатели используются сравнительно редко. Это объясняется их низкой экономичностью, вызванной большой потерей горючей смеси в период продувки, а также высокой тепловой напряженностью ос­ новных деталей.

Двухтактные карбюраторные двигатели широко применяются лишь в качестве мотоциклетных двигателей, а также в некоторых маломощ­ ных стационарных установках.

§ 68. Четырехтактный дизель

Горючая смесь в дизелях в отличие от карбюраторных двигателей образуется непосредственно в самом цилиндре, а воспламеняется под действием высокой температуры, полученной в результате сжатия воздуха. Принципиальная схема четырехтактного дизеля изображена на рис. 58. Цилиндры 3 двигателя, закрытые крышками 9, опираются

120

на станину 1, которая крепится к фундаментной раме 19. Пространст­

во, образованное станиной и фундаментной рамой, называется карте­ ром 16. В автотракторных дизелях при небольшой их мощности ци­

линдры и станину выполняют в виде одной отливки и называют блоккартером. Последний крепится непосредственно к фундаменту. Снизу блок-картер закрывается поддоном, в котором находится масло.

В цилиндре перемещается поршень 6, шарнирно соединенный пор­ шневым пальцем 5 с головным подшипником 4 шатуна 2. В нижней

части шатуна находится подшип­ ник 17, охватывающий шатунную шейку коленчатого вала 20, опи­

рающегося на рамовые подшипни­ ки 18.

Топливная форсунка 10, впуск­

н. М. Т . , и в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмо­ сферный воздух (линия г—а).Давление в цилиндре в период этого такта

ниже атмосферного и равно ра = (0,8 -у- 0,9)р0. Температура воздуха в конце впуска 45—60° С.

Второй такт — сжатие воздуха. Так же, как и в карбюраторном двигателе, впускной клапан закрывается с некоторым опозданием, вследствие чего в цилиндр поступает дополнительное количество воз­ духа. После закрытия впускного клапана давление и температура сжи­ маемого воздуха повышаются.

121

Чтобы обеспечить самовоспламенение топлива, в дизелях необхо­ димо получить в конце сжатия температуру 450—700° С, для чего сте­ пень сжатия должна быть е = ІЗ-у-17. При подходе поршня к в. м. т. (течка 2) топливный насос через форсунку впрыскивает топливо в ка­

меру сгорания, в которой температура сжатого воздуха выше темпера­

Мощность дизеля регулируется изменением количества топлива, подаваемого в цилиндр.

Преимущества дизеля по сравнению с карбюраторным двигателем следующие:

1)больший к. п. д. (на 30 -f- 35%) вследствие более высокой сте­ пени сжатия;

2)использование тяжелых и дешевых сортов топлива;

3)более надежен в тяжелых условиях работы.

К недостаткам дизеля следует отнести:

1)масса дизеля, приходящаяся на 1 кВт мощности, на 40—70% больше массы карбюраторного двигателя, что обусловлено более высокими давлениями в цилиндрах, а следовательно, и большими сече­ ниями деталей двигателей, а также меньшей частотой вращения, ко­ торой пропорциональна мощность;

2)большая первоначальная его стоимость (примерно в 1,5 раза), вследствие сложной и требующей точности изготовления топливной аппаратуры;

1 22

3)значительная стоимость ремонта двигателя;

4)большая шумность работы двигателя и большая дымность вы­ пуска.

Благодаря высокой экономичности и надежности четырехтактные дизели являются наиболее распространенным типом двигателя, при­ меняемым в подъемно-транспортных машинах. Они устанавливаются на плавучих, железнодорожных и гусеничных кранах, на плавучих пневмоперегружателях, экскаваторах и других машинах.

§ 69. Двухтактный дизель

Для продувки цилиндров в двухтактных дизелях в отличие от двух­ тактного карбюраторного двигателя используется не горючая смесь, а атмосферный воздух. В связи с этим потеря части заряда воздуха при продувке незначительно влияет на экономичность двигателя.

Обычно в дизелях для продувки применяют специальный проду­ вочный ротационный или центробежный насос, имеющий привод от вала двигателя, что позволяет почти полностью удалять из цилиндра продукты сгорания. При этом количество воздуха, подаваемого за вре­ мя продувки, по объему должно быть на 30—50% больше объема цилиндров.

Схема устройства двухтактного дизеля дана на рис. 60. В отличие от рассмотренного двухтактного карбюраторного двигателя он обору­ дован специальным продувочным 1 и топливным 6 насосами, форсун­ кой 4. Рабочий процесс двухтактного дизеля представлен на индикатор-

123

мой диаграмме (рис. 61). Часть приведенной индикаторной диаграммы изображающая процессы сжатия, сгорания и расширения, практиче­ ски одинакова с индикаторной диаграммой четырехтактного дизеля. Давление и температура воздуха и газов в начале и конце указанных процессов имеют практически те же значения, что и в четырехтакт­

ных дизелях.

Выпуск отработавших газов из цилиндра начинается (см. рис. 60), как только верхняя кромка поршня приоткроет выпускные окна 5 (точка Ь). При дальнейшем движении поршня открываются продувоч­ ные окна 3 (точка е) и воздух давлением 0,115—0,120 МН/'м2 из реси­

ная тепловая напряженность поршневой группы из-за большой частоты

только продувочные окна /, а в цилиндровой крышке — специальные

рения сначала открываются выпускные клапаны, давление в ци­

оставшиеся продукты сгорания. При прямоточной клапанно-щелевой продувке обеспечивается интенсивное охлаждение донышка поршня и выпускных клапанов.

Двухтактные дизели применяются на грузовых автомобилях и ав­ томобильных подъемных кранах.

124

Г л а в а XVIII

ГАЗООБМЕН И СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ

§ 70. Газообмен в четырехтактных двигателях

Удаление продуктов сгорания из цилиндра и заполнение его свежим

открывающим и закрывающим каналы, через которые удаляются от­ работавшие газы и поступает свежий заряд.

В зависимости от конструктивного выполнения различают к л а ­ п а н н ы е , б е с к л а п а н н ы е и к о м б и н и р о в а н н ы е механизмы газораспределения. В четырехтактных двигателях наиболь­ шее распространение получили клапанные механизмы газораспределе­ ния. Они в свою очередь подразделяются на механизмы газораспреде­

распределения как с нижним, так и с верхним расположением клапа­ нов, а в дизелях — только с верхним. Открываются клапаны во всех случаях кулачками распределительного вала, получающими вращение от коленчатого вала двигателя, а закрываются под воздействием пру­ жин с исследующим прижатием клапанов к седлу давлением газа в ци­ линдре. В четырехтактных двигателях частота вращения распредели­ тельного вала в 2 раза меньше частоты вращения коленчатого вала.

При нижнем расположении клапанов (см. рис. 54) механизм газо­ распределения имеет простую конструкцию и не создает большого шу­ ма в работе. Однако при этом ограничиваются возможности повыше­ ния степени сжатия из-за существенного снижения коэффициента на­ полнения вследствие дросселирования потока на входе при е > 7,0. Кроме того, получается большая поверхность охлаждения цилиндро­ вой крышки, что увеличивает отвод тепла в охлаждающую среду и сни­ жает экономичность двигателя.

Некоторые схемы механизмов газораспределения с верхним рас­ положением клапанов, применяемые как в карбюраторных двигателях,

На рис. 63, б, в приведены схемы с иерхним расположением распре­

делительного вала, приводимого во вращение от коленчатого вала ко­ ническими шестернями. В этих схемах упрощается кинематическая связь между кулачками и клапанами. Усилия от кулачков распреде­ лительного вала передаются коромыслам, воздействующим на штоки

125

клапанов. На схеме рис. 63, в кулачки распределительного вала не­

посредственно воздействуют на клапаны. В последних двух схемах механизм привода к клапанам имеет более жесткую конструкцию, исключающую возможность деформации отдельных деталей.

В настоящее время карбюраторные двигатели строят с верхним расположением клапанов, поскольку в данном случае может быть применена более высокая степень сжатия и на 7—8% увеличен коэф­ фициент наполнения, что позволит повысить эффективный к. п. д. дви­ гателя и снизить удельный расход топлива.

положением клапанов

Дизели в связи с большими степенями сжатия и малыми объемами камеры сгорания могут иметь только верхнее расположение клапанов.

Для лучшей очистки цилиндра от газов и наполнения его свежим зарядом клапаны выполняют с возможно большим проходным сечением, диаметр головки впускного клапана иногда делают больше, чем выпуск­ ного. С этой же целью желательно резкое открытие и закрытие кла­ пана. Однако это невозможно из-за высоких инерционных усилий в механизме, что может вызвать его поломку, в связи с чем профиль ку­ лачка выбирают таким, чтобы силы инерции не превышали допусти­ мой величины, а клапаны открывались и закрывались относи­ тельно плавно. При проектировании механизма газораспределения диаметр клапана, высоту его подъема и закон открытия выбирают та­ кими, чтобы заполнение цилиндра свежим зарядом происходило со средней скоростью 60—90 м/с, а выпуск газов — 80— 120 м/с.

§ 71. Фазы газораспределения в четырехтактных двигателях

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах по­ ворота коленчатого вала по отношению к мертвым точкам, называются ф а з а м и г а з о р а с п р е д е л е н и я . Правильный выбор фаз газораспределения предопределяет основные показатели работы двига-

126