2013-14 Экология Диск Студентам / Газоанализатор Лабораторная №5

ВВЕДЕНИЕ

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен более ста лет назад. И на протяжении всего периода существования он непрерывно совершенствовался.

За последние 10-20 лет для ведущих мировых производителей и потребителей автотранспортных средств одной из актуальнейших стала проблема снижения расхода топлива и выброса вредных веществ. Постоянное ужесточение экологических требований в связи с глобальным загрязнением планеты и намечающимся "парниковым эффектом", а также обострение общемирового энергетического кризиса активизировали в последние годы ХХ столетия поиск новых решений.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Общие сведения Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип двигателя, тепловая

машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне,

преобразуется в механическую работу.

Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены,

например на транспорте.

Основные определения, связанные с работой двигателя

Движение поршня в цилиндре ограничено двумя крайними положениями,

которые называются мертвыми точками. Крайнее положение поршня, при котором расстояние его от оси вала двигателя является наибольшим,

называется верхней мертвой точкой, сокращенно ВМТ, а другое крайнее положение поршня, при котором расстояние его от оси вала двигателя является наименьшим, называется нижней мертвой точкой НМТ. Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называется ходом поршня. Ход поршня

5

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск)

необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий

(например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана

(впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а

также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Основными типами ДВС являются:

Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. Поршневые ДВС по типу используемого топлива:

Бензиновые — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок; далее смесь подаѐтся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры,

проскакивающей между электродами свечи.

Дизельные — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере.

Газовые — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды,

находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм.). Испарѐнная в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор

6

посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи;

сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением от

150 до 200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя;

генераторный газ — газ, полученный превращением твѐрдого топлива в газообразное.

В качестве твердого топлива могут использоваться: уголь, торф,

древесина и т.д.

Газодизельные — основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Двухтактный цикл. В двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое

чаще.

Роторно-поршневые — за счѐт вращения в камере сгорания многогранного ротора динамически формируются объѐмы, в которых происходит обычный цикл ДВС.

Газотурбинные двигатели — энергия расширяющихся продуктов горения передаѐтся на лопатки газовой турбины.

Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами

двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартер. Лишь в отдельных случаях (например, в самолѐтах) можно обойтись без сложной трансмиссии.

Также ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и

выхлопная система (для отвода выхлопных газов).

1.1.БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания,

7

в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха,

входящего в двигатель, посредством дроссельной заслонки.

Классификация бензиновых двигателей

По способу смесеобразования:

двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые);

двигатели с непосредственным впрыском, двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров).

По способу осуществления рабочего цикла:

Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объѐма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках,

бензопилах и моторизованных инструментах.

Четырехтактные двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырѐхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).

По числу цилиндров:

одноцилиндровые;

двухцилиндровые;

многоцилиндровые.

По расположению цилиндров:

двигатели с цилиндрами в один ряд (однорядные) с вертикальным или наклонным расположением цилиндров;

V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении

8

цилиндров под углом 180О двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);

По способу охлаждения — двигатели с жидкостным или воздушным

охлаждением.

По виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные.

По степени сжатия двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9)

сжатия.

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:

двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня;

двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором,

сцелью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя.

По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные,

судовые, тепловозные, авиационные и др.

Практически не употребляемые виды моторов — роторно-поршневые Ванкеля, с внешним сгоранием Стирлинга и т. д.

Преимущества четырѐхтактных двигателей:

Больший ресурс.

Большая экономичность.

Более чистый выхлоп.

Не требуется сложная выхлопная система.

Меньший шум.

1.2.ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания,

работающий на дизельном топливе.

Основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе подачи топливовоздушной смеси в цилиндр и способе еѐ

9

воспламенения. В бензиновом двигателе топливо смешивается с всасываемым воздухом до попадания в цилиндр, получаемая смесь поджигается в необходимый момент свечой зажигания. На всех режимах, за исключением режима полностью открытой дроссельной заслонки, дроссельная заслонка ограничивает воздушный поток, и наполнение цилиндров происходит не полностью.

В дизельном двигателе воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (от 14:1 до 24:1), когда воздух нагревается до температуры самовоспламенения дизельного топлива (800-

900°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением (от 10 до 220 МПа). Свечи у дизеля тоже могут быть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск.

Дизельный двигатель использует в своей работе термодинамический цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты (цикл Тринклера-Сабатэ),

благодаря очень высокой степени сжатия он отличается большим КПД (до 50%)

по сравнению с бензиновыми двигателями.

Исторические сведения В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического

двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно повышает свою эффективность. Он получил патент на свой двигатель 23

февраля 1893 г.

Интересно, что в написанной им книге в качестве идеального топлива предлагалась каменноугольная пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива — прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы,

получающейся при сгорании, а также больших проблем с подачей пыли в цилиндры. Зато была открыта дорога к использованию в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций. Хотя Дизель и был первым, кто запатентовал

10

такой двигатель с воспламенением от сжатия, инженер по имени Экройд Стюарт высказывал ранее похожие идеи. Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в емкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла снаружи.

Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, он просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, т.е. он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную эффективность. Может, это и было причиной того, что используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», т.к. теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей с воспламенением от сжатия.

В дальнейшем около 20—30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива не позволяли применять дизели в высокооборотистых агрегатах. Небольшая скорость вращения,

значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива, сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.

В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, устройство, которое широко применяется и в наше время. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным дальнейшее увеличение скорости вращения. Востребованный в таком виде высокооборотистый дизель стал пользоваться все большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, однако доводы в пользу двигателей с электрическим зажиганием (традиционный принцип работы,