книги из ГПНТБ / Колоколов А.А. Двигатели внутреннего сгорания изотермического подвижного состава учебник

по мере прохождения смеси по впускному коллектору 12 и в цилинд­ рах двигателя. Для улучшения испарения частиц топлива часть по­ верхности впускного коллектора обогревается _ выхлопными газами, проходящими по рубашке 2.

С поворотом дросселя 11 при постоянном числе оборотов вала дви­ гателя расход воздуха через карбюратор будет меняться за счет из­ менения сопротивления впускного канала. При неизменном положе­ нии дросселя, но изменении числа оборотов расход воздуха будет тоже

Для получения требуемого состава смеси при различных режимах работы двигателя современные карбюраторы снабжаются:

главной дозирующей системой, обеспечивающей получение эко­ номичной смеси при работе двигателя со средними нагрузками;

системой холостого хода для получения смеси, богатой топливом, при холостой работе двигателя и малых нагрузках, а также при пуске предварительно прогретого двигателя;

экономайзером, который обеспечивает обогащение смеси топливом при нагрузках, близких к максимальной;

ускорительным насосом, сообщающим двигателю приемистость, т. е. способность быстро увеличивать свою мощность при резком открытии дросселя;

пусковой системой, питающей непрогретый двигатель при пуске смесью, переобогащенной топливом.

§37. Зажигание в карбюраторных двигателях

Вбыстроходных карбюраторных и газовых двигателях применяется электрическое зажигание высокого напряжения. Величина напряже­ ния, обеспечивающего получение искры, зависит главным образом от размера искрового промежутка, давления и температуры смеси.

Напряжение необходимо повышать по мере увеличения расстояния между электродами свечи зажигания, давления смеси и понижения температуры последней. С учетом величины искрового промежутка свечи до 1 лш, заполненного сжатой рабочей смесью при избыточном давлении 8—10 кгс/см2, напряжение должно составлять 7000—8000 в.

Для надежной работы и пуска непрогретого двигателя напряжение на электродах свечи зажигания обеспечивают в пределах 12 000— 15 000 в.

Напряжение, необходимое для получения искры в камере сжатия цилиндра, должно возникать на электродах свечи в момент, строго соответствующий определенному положению поршня. Чтобы давление газов при сгорании достигало максимума непосредственно после про­ хождения поршнем верхней мертвой точки, искра должна быть подана несколько раньше мертвого положения поршня с учетом времени за­

90

з а ж и г а н и я . Наивыгоднейший угол опережения зажигания для данного двигателя зависит от режима его работы и сорта топлива.

При неизменном составе рабочей смеси скорость сгорания остается постоянной. С увеличением же числа оборотов вала путь, проходимый поршнем в одинаковый промежуток времени, будет возрастать, что потребует в свою очередь увеличения угла опережения зажигания.

Если двигатель работает с постоянной частотой вращения вала, то по мере увеличения нагрузки, а следовательно, и открытия дросселя относительное содержание остаточных газов в рабочей смеси умень­ шается, давление смеси в конце сжатия увеличивается. Оба эти фак­ тора способствуют увеличению скорости сгорания. Следовательно, смесь будет сгорать за меньшее время. Таким образом, с возрастанием нагрузки при п — const угол опережения зажигания следует умень­ шать. У большинства современных карбюраторных двигателей обес­

Один из полюсов аккумуляторной батареи 2 соединен с корпусом двига­ теля (масса), служащим вторым проводом электрической цепи. При включенном замке 13 зажигания ток от другого полюса батареи через амперметр 15, контакты замка зажигания, дополнительный вариатор 12 и первичную обмотку И индукционной катушки 9 (катушка зажи­ гания) поступает к прерывателю 20. Первичная обмотка катушки за­ жигания состоит из 250—300 витков медной проволоки толщиной 0,8 мм, покрытой эмалевым лаком и намотанной на вторичную обмотку. Эта обмотка состоит из 15 ООО—18 ООО витков медной лакированной

Рис. 51. Схема батарейного зажигания

91

проволоки толщиной 0,1 мм, которая намотана на сердечник, изготов­ ленный из полосок трансформаторной стали. Для предохранения от сырости катушка залита специальной мастикой и помещена в жестяный кожух.

Прерыватель состоит из неподвижного контакта 18 (наковальни), электрически соединенного с массой двигателя, и подвижного контакта 19 (молоточка), который при вращении кулачка 4 периодически раз­ мыкает цепь первичного тока. В момент размыкания контактов тем или иным выступом кулачка 4 во вторичной обмотке 10 катушки за­ жигания индуктируется ток высокого напряжения, который поступает к вращающемуся рычажку 8 (ротору) распределителя.

Распределитель имеет неподвижные контакты 7, каждый из кото­ рых соединен проводом со свечой 6 зажигания соответствующего ци­ линдра. Кулачок прерывателя и ротор распределителя вращаются с одинаковым числом оборотов таким образом, что в момент размыка­ ния контактов прерывателя ротор распределителя находится против одного из неподвижных контактов. При этом ток высокого напряжения, индуктированный во вторичной обмотке катушки зажигания, в момент разрыва первичной цепи прерывателем преодолевает сопротивление небольшого воздушного промежутка между ротором и неподвижным контактом распределителя и поступает к свече. С учетом направления вращения ротора распределителя соединение проводами его неподвиж­ ных контактов со свечами зажигания должно обеспечивать порядок чередования вспышек, принятый для данного двигателя (на схеме

1—5—3—6—2—4).

Параллельно контактам прерывателя включен конденсатор 5, пре­ дотвращающий возникновение дуги между ними в момент размыкания.

Дополнительное сопротивление вариатора 12 катушки зажигания предназначено для автоматического регулирования тока в первичной обмотке и предохранения ее от нагрева при малом числе оборотов

92

медно-асбестовой прокладке. В корпус свечи с помощью особого по­ рошкового уплотнителя 3 заделан изолятор 2 из кристаллокорундовой или керамической массы, обладающей высокой жаростойкостью. Центральный электроде, вставленный в изолятор, представляет собой стальной стержень, нижний конец которого изготовлен из антикор­ розионного жаростойкого никель-марганцевого сплава. На верхний конец центрального электрода навернут наконечник /, к которому присоединяется провод высокого напряжения от распределителя.

Искровым промежутком свечи служит зазор б между концом цент­ рального электрода и боковым электродом 5, заделанным в корпус свечи. Величина искрового промежутка составляет обычно 0,6—0,7 мм и регулируется подгибанием бокового электрода.

Большое влияние на работу двигателя и состояние свечи оказывает ее тепловая характеристика. Средняя температура электродов и ниж­ него конца изолятора свечи при работающем двигателе должна быть достаточно высокой, чтобы попадающее на свечу масло полностью выгорало, не образуя смолистых отложений. Из этих соображений температура нижнего конца свечи должна быть не менее 550—600° С (температура самоочищения). Вместе с тем при температуре нижнего конца выше 800—850° С возникает калильное зажигание, т. е. нес­ воевременное воспламенение смеси от раскаленного изолятора свечи. Признаком калильного зажигания служит возникновение детонаций и продолжающаяся работа двигателя при выключенном зажигании.

Тепловое состояние свечи определяется количеством тепла, вос­ принимаемого ею от газов, и интенсивностью отвода его к головке цилиндра. Для обеспечения самоочищения в тихоходных двигателях с небольшой степенью сжатия устанавливают горячие свечи с длинной нижней частью (юбкой) изолятора. В двигателях быстроходных и с большой степенью сжатия применяют холодные свечи с короткой юбкой изолятора.

В случаях когда при неработающем двигателе нет потребности в электроэнергии и запуск двигателя производится не электростарте­ ром, а каким-либо другим способом, применяется зажигание от маг­ нето. Такая система зажигания получила применение на тракторных карбюраторных и газовых двигателях.

Магнето представляет собой генератор переменного тока с постоян­ ными магнитами; оно состоит из прерывателя, индукционной катушки и распределителя тока высокого напряжения. Ротор магнето приво­ дится во вращение механической передачей от вала двигателя.

§38. Газовые двигатели

Вкачестве газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания применяются низкокалорийные, среднекалорийные и высо­ кокалорийные газы.

Низкокалорийные газы получаются в газогенераторах из твердого топлива. Вследствие большого содержания азота (45—55% по объему) в генераторном газе низшая теплотворность сухой массы его в зави-

93

с бензина на генераторный газ не требует существенных переделок самого двигателя. Однако мощность его при этом снижается на 35— 40%, что объясняется меньшей тепловыделяющей способностью горю­ чей смеси, получаемой при смешении генераторного газа с воздухом (2300—2600 кдж/м3н), по сравнению с бензиновоздушной смесью, выделяющей 3300 кдж/м3н тепла. Кроме того, значительное влияние оказывают сопротивления газогенератора, системы очистки и охлаж­

Среднекалорийные газы (коксовый, светильный, синтезгаз) яв­ ляются побочными продуктами производства искусственного топлива. Использование среднекалорийных газов для двигателей внутреннего сгорания целесообразно только на месте их получения и в близлежа­ щих районах.

Высококалорийные газы (природные, а также газы, получаемые при переработке нефти) подаются к стационарным двигателям внутрен­ него сгорания непосредственно из газопровода. Для питания транс­ портных двигателей применяются баллоны, заряженные под избы­ точным давлением до 150—200 кгс/см2 (147 -105 — 196x 10s н/м/1).

Часто применяются также сжиженные газы, содержащиеся в бал­

творность сжиженных газов (пропан, бутан, бутилен и др.) составляет 33 000—70 000 кдж/м3н и выше.

При питании высококалорийным или сжиженным газом мощность карбюраторного двигателя не только не снижается, но может быть несколько повышена путем увеличения степени сжатия. Это оказывает­ ся возможным, так как горючий газ обладает меньшей склонностью к детонации, чем бензин.

Г л а в а V I I

ОХЛАЖДЕНИЕ И СМАЗКА ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 39. Назначение и способы охлаждения двигателей

Охлаждение двигателей необходимо для снижения температуры деталей, соприкасающихся с горячими газами. Охлаждению подвер­ гают стенки цилиндров и крышек, а в некоторых случаях — поршни, корпуса выпускных клапанов, выпускные коллекторы и форсунки.

94

Количество тепла, отводимого при охлаждении, колеблется в пре­ делах 15—30% теплоты сгоревшего топлива в зависимости от типа и мощности двигателя.

Для охлаждения двигателей применяются жидкостные (вода, масло, антифриз) и воздушные системы.

При жидкостном охлаждении тепло от нагревающихся частей дви­ гателя отнимается жидкостью, циркулирующей в охлаждающих ру­ башках. Нагревшаяся в рубашках жидкость отводится в дренаж или охлаждается в специальных устройствах — холодильниках, радиа­ торах, градирнях, после чего снова подается в рубашки двигателя. Иногда охлаждающая вода находится в рубашках в состоянии кипения (испарительное охлаждение) и по мере убыли пополняется свежей.

Воздушное охлаждение применяется значительно реже и только для двигателей небольшой мощности. Воздухом с помощью вентилятора обдуваются цилиндры и головки двигателя. Для увеличения охлаж­ дающей поверхности наружные стенки цилиндра и головки снабжают­ ся ребрами.

Наиболее широко в двигателях применяются водяные системы ох­ лаждения. В стационарных условиях при наличии водопровода можно применять проточную воду, которая непосредственно из водопровода или резервного буферного бака поступает в рубашки цилиндров дви­ гателя. Из них она проходит в рубашки головок цилиндра, после чего отводится в дренаж.

При проточном охлаждении температура воды на выходе из двига­ теля должна поддерживаться 50—60° С. Уменьшение температуры воды ниже 40° С ведет к увеличению потери тепла, неполноте сгорания, неравномерному охлаждению деталей и термическим деформациям. Повышение температуры воды более 60° С приводит к образованию на поверхности рубашек накипи, что ухудшает теплопередачу.

Существенным недостатком проточной системы охлаждения яв­ ляется большая разница в температуре воды на входе и выходе из двигателя. В результате этого возникают внутренние напряжения

вметалле, что часто является причиной образования трещин.

§40. Циркуляционная система охлаждения

Внастоящее время значительное применение находят циркуля­ ционные системы охлаждения двигателей. В этих случаях определен­ ное количество воды, заполняющей систему, циркулирует по замкнуто­ му контуру. Нагревающаяся в рубашках двигателя вода поступает по соединительному трубопроводу в холодильник (радиатор), где охлаж­ дается, отдавая тепло окружающему воздуху. Охлажденная вода снова поступает в двигатель. При таком способе охлаждения расход свежей воды, идущей на пополнение утечек и испарение, оказывается незна­ чительным, вследствие чего не происходит постоянного отложения накипи. Достаточно высокая температура воды на входе в рубашки

позволяет повысить также температуру воды на выходе до 80—90° С и выше. Это создает более благоприятные условия охлаждения.

95

В зависимости от причины, заставляющей воду циркулировать, системы бывают с естественной (термосифонной) или принудительной циркуляцией.

При термосифонной системе циркуляция воды возникает за счет разности удельных масс холодной воды, заполняющей радиатор, и горячей воды, находящейся в рубашках двигателя. Помимо простоты устройства, положительным качеством такой системы является в из­

в рубашках, вследствие чего увеличивается и интенсивность циркуля­ ции. К недостаткам термосифонной системы относятся: малая скорость циркуляции, требующая больших проходных сечений и емкостей руба­ шек и радиаторов; прекращение циркуляции при случайном образо­ вании воздушных или паровых мешков; потребность в значительной разности средних температур в рубашках и радиаторе, что неблаго­ приятно для двигателя.

В системе охлаждения с принудительной циркуляцией, получив­ шей наибольшее применение в двигателях, движение воды осущест­ вляется за счет действия специального циркуляционного насоса (обычно центробежного типа) с приводом от самого двигателя. Благо­ даря большой скорости циркуляции и независимости ее от температуры воды в рубашках разность температур на входе и выходе может быть снижена до 10—15° С и даже меньше, что весьма благоприятно для двигателя. Большая скорость циркуляции позволяет сократить емкость, а следовательно, размеры и вес всех элементов системы ох­ лаждения.

Если полость циркуляционной системы охлаждения постоянно сообщается с атмосферой и, следовательно, в ней не может возникнуть избыточного давления или разрежения, то такая система называется о т к р ы т о й . Повышение температуры воды до 100° С в открытой системе неизбежно вызывает кипение. Кроме того, вследствие поверх­ ностного испарения убыль воды в открытой системе и потребность в ее пополнении довольно значительны.

Если полость системы охлаждения герметична, то система назы­ вается з а к р ы т о й . В этом случае давление в системе может пре­ вышать атмосферное, и при возрастании температуры до 100° С и даже выше кипение возникать не будет. В закрытых системах охлаж­ дения при надлежащем состоянии всех соединений убыль воды незна­ чительна.

Для предотвращения чрезмерного возрастания давления при перег­ реве воды, а также образования вакуума (это может вызвать поврежде­ ние тонкостенных деталей радиатора) предусматриваются предохра­ нительные клапаны, вмонтированные чаще всего в крышку заправочной горловины.

Поддержание наивыгоднейшего режима охлаждения в зависимости от нагрузки двигателя и более быстрый прогрев его после пуска достигаются регулировкой потока воздуха через радиатор с помощью жалюзи или шторок, управляемых вручную или автоматически. В этих же целях широкое применение имеет д в у х к о н т у р н а я с и с -

96

§ 41. Требования, предъявляемые к качеству охлаждающей воды

В воде, применяемой для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, не должно содержаться механических примесей, загрязня­ ющих внутренние полости системы охлаждения и загромождающих проходные сечения. Вода должна давать минимальное количество на­ кипи и не вызывать коррозии соприкасающихся с ней поверхностей.

Природная вода, содержащая значительное количество взвешен­ ных частиц (более 5000—12 ООО мг/л), предварительно отстаивается, затем фильтруется, чаще всего через слой кварцевого песка. При со­ держании в воде большого количества коллоидных веществ применяет­ ся к о а г у л я ц и я , т. е. добавка к воде в небольших количествах сернокислого алюминия, железного купороса, хлорного железа и т. п. В результате взаимодействия коагулянтов с загрязненной водой кол­ лоидные вещества и мелкие взвешенные частицы сгущаются и пре­ вращаются в хлопья, которые частично оседают при отстаивании, ча­ стично задерживаются при фильтрации.

Способность воды выделять при нагревании накипь зависит глав­ ным образом от содержания в ней в растворенном состоянии солей кальция и магния. Чем больше в воде содержится этих солей, тем больше ее ж е с т к о с т ь . Существует жесткость к а р б о н а т н а я , или временная, характеризующая содержание двууглекислого каль­ ция и магния, и н е к а р б о н а т н а я , или постоянная, характе­ ризующая содержание прочих солей кальция и магния. Чем выше кар­ бонатная жесткость, тем больше при нагревании выделяется из воды осадка в виде рыхлого шлама. Чем выше некарбонатная жесткость, тем интенсивнее образуется твердая корка накипи, которая в рубашках двигателя создает как бы слой изоляции между металлом й охлаж­ дающей водой. Это ведет к перегреву стенок цилиндра, головок и часто является причиной образования трещин.

Для снижения жесткости природной воды применяют различные способы умягчения: известково-содовый, катионитовый и комбини­ рованный.

Коррозия металла происходит от взаимодействия с металлом га­ зов, кислот, щелочей и появления местных электрических токов (электрохимическая коррозия). Для уменьшения коррозии применя­ ются различные присадки к охлаждающей воде (хромпик, углекислый натрий). Если охлаждающая вода соприкасается с алюминиевыми деталями, в ней не должны содержаться щелочи.

§ 42. Роль смазки двигателей

При взаимном перемещении соприкасающихся деталей происходит постепенное скалывание мельчайших выступов шероховатых трущих­ ся поверхностей. В результате появляется износ этих деталей. На преодоление сил молекулярного сцепления при износе затрачивается механическая работа, поэтому только часть работы, развиваемой

98

газами внутри цилиндров двигателя, может быть использована'на преодоле­ ние полезной нагрузки. Кроме того, часть механи­ ческой работы расходуется на преодоление трения и превращается в тепло, что вызывает нагрев трущихся деталей.

Для уменьшения вред­ Рис. 55. Образование масляного клина

ных последствий трения

Если представить себе шейку 1 (рис. 55, а) вала в подшипнике 3 и зазор 2 между ними, заполненный маслом, то при неподвижном положении шейки масло будет почти полностью выдавлено снизу из зазора усилием Q, прижимающим шейку к подшипнику. Таким обра­ зом, в момент начала вращения шейки будет происходить почти сухое трение, так как слой масла между трущимися поверхностями очень тонкий или отсутствует вовсе. По мере возрастания скорости вращения шейки масло, прилипающее к ее поверхности, будет вклиниваться

взазор. Вследствие этого давление масла здесь значительно возрастает

ишейка приподнимается. При нормальных условиях смазки шейка вала как бы плавает в подшипнике, не прикасаясь к его поверхности (рис. 55, б). Штриховая кривая схематически показывает изменение масляного давления в слое.

Рассмотренные явления объясняют значительное трение и износ трущихся поверхностей в начальный период при пуске двигателя. То же происходит при недостаточной вязкости масла.

§43. Система смазки двигателей

Убольшинства современных двигателей применяется комбиниро­

ванная циркуляционно-барботажная система смазки. В этом случае к наиболее нагруженным трущимся деталям масло подается под дав­ лением. Непрерывно вытекающее из зазоров масло выносит с собой продукты износа, задерживаемые затем в фильтрах. Кроме того, цир­ кулирующее в системе масло одновременно выполняет функции охлаждающей жидкости, поддерживая нормальный температурный ре­ жим подшипников. Менее нагруженные трущиеся части смазываются путем разбрызгивания (барботаж) масла вращающимися частями дви­ гателя. Вследствие непрерывной фильтрации циркулирующего масла значительно увеличивается срок его службы и улучшаются условия работы двигателя.

К наиболее нагруженным деталям двигателя (коренные и шатунные подшипники коленчатого вала, подшипники распределительного вала,