Литература по Механике и для Механиков / Литература / Стенин

поступает воздух из окружающей среды. Во время первого хода поршня выпускной клапан должен быть закрыт. Для максимального наполнения цилиндров впускной клапан открывается до ВМТ (в точке 1). Угол ϕ 1–1′ – угол опережения впуска, приблизительно равен 20–300 поворота коленчатого вала (п.к.в.). Чтобы увеличить время поступления воздуха, закрытие впускного клапана осуществляется после прохождения поршнем НМТ (в точке 2). Угол ϕ 2–2′ – угол запаздывания закрытия впускного клапана, приблизительно равен 20–400 п.к.в. Углы опережения и запаздывания зависят в основном от типа двигателя и степени его быстроходности.

поступившего в цилиндр за первый ход поршня, происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ, начиная с момента закрытия впускного клапана (точка 2) до момента прихода поршня в ВМТ (точка 3); во время сжатия все клапаны цилиндра должны быть закрыты. Давление в конце сжатия 2,8–3,5 МПа.

Третий ход поршня – горение топлива и расширение продуктов

впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ (точка 3) с углом опережения ϕ 3′–3. Угол опережения равен 10–30 0 поворота коленчатого вала.

Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется около ВМТ и сгорает, благодаря чему давление в цилиндре повышается до 5–8 МПа, а температура – до 1400…16000 С.

11

Горение топлива заканчивается за ВМТ (точка 4), после чего начинается расширение продуктов сгорания. Общий угол, соответствующий процессу сгорания, равен 40–600 п.к.в. Давление газов за время сгорания и расширения передается на поршень и используется для совершения полезной работы при движении поршня от ВМТ к НМТ до начала открытия выпускного клапана (точка 5).

К концу расширения давление в цилиндре падает примерно до 0,25–0,6 МПа, а температура газов – до 600…7000 С. Общий угол поворота коленчатого вала, отводимый на процессы сгорания и расширения (т.3–т.5), равен 160–1800 .

Четвертый ход поршня – выпуск (такт IV). Осуществляется выпуск отработавших газов. Выпускной клапан открывается до прихода поршня в НМТ на угол опережения ϕ 5–5′ (20–40 0 п.к.в). Это делается с целью снизить давление к концу хода поршня примерно до давления окружающей среды и обеспечить таким образом небольшое противодавление при выталкивании продуктов сгорания во время движения поршня к ВМТ.

Для более совершенного удаления продуктов сгорания закрытие выпускного клапана происходит после прохождения поршнем ВМТ с запаздыванием на угол закрытия ϕ 6–6′ (10–200 п.к.в.). Продукты сгорания через выпускные клапаны и патрубок поступают в газовыпускной коллектор с давлением 0,105–0,110МПа и температурой 300…5000 С.

При положении поршня в ВМТ (точка 6) продукты сгорания, занимающие объем, равный объему камеры сжатия, не могут быть полностью удалены из цилиндра. Поэтому остаточные газы в дальнейшем смешиваются с воздухом, который начинает поступать в цилиндр через впускной клапан.

В случае если в двигателе используется принудительное нагнетание воздуха в цилиндр (ДВС с наддувом), в цилиндре осуществляется так называемая продувка камеры сгорания. За период, в течение которого одновременно открыты и впускной и

12

выпускной клапаны (т.1–т.6), нагнетаемый воздух удаляет остаточные газы, находящиеся в цилиндре. По окончании выталкивания продуктов сгорания начинается новый рабочий цикл.

Рис.1.3. Круговая диаграмма четырехтактного ДВС.

Процессы газообмена в цилиндре дизельного двигателя (фазы газораспределения) могут быть изображены на двух окружностях, обозначающих периоды открытия впускных и выпускных клапанов в функции угла поворота коленчатого вала. Такие диаграммы называются диаграммами газораспределения или круговыми диаграммами (рис.1.3). В 4-хтактных дизелях на газообмен отводится 550…570 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ). Процесс газообмена в четырехтактных дизелях можно разбить на следующие периоды.

Свободный выпуск – осуществляется за счет разницы атмосферного давления и давления в цилиндре двигателя в момент открытия выпускного клапана (линия О − А диаграммы). При этом газы с большой скоростью устремляются в выпускной патрубок двигателя. Продолжительность периода свободного выпуска примерно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана (ϕ1 = 40 ÷500 ПКВ). Тепловая и кинетическая энергия

13

выпускных газов, как правило, используется для привода турбокомпрессора или работы утилизационных котлов.

Принудительный выпуск – теоретически начинается в НМТ и заканчивается в ВМТ и представляет собой принудительное выталкивание продуктов сгорания из цилиндра телом поршня.

Продувка – в конце хода выпуска открывается впускной клапан (линия О − С , ϕ3 = 50 ÷ 600 ПКВ до ВМТ), а выпускной остается

открытым. При двух открытых одновременно клапанах происходит продувка камеры сгорания воздухом и удаление оставшихся в цилиндре газов. Кроме того, продувка снижает температуру стенок камеры сгорания, поршня и выпускных клапанов, улучшая условия работы и увеличивая срок их службы. Продолжительность продувки составляет ~ 110 0 ПКВ.

Наполнение – теоретически начинается в ВМТ, а фактически – с момента закрытия выпускного клапана (линия O − D , ϕ4 = 50 ÷550 ПКВ за ВМТ) и частично протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпадает с приходом поршня в НМТ.

Дозарядка – поршень движется вверх по ходу сжатия, а впускной клапан некоторое время остается открытым до момента, соответствующего линии O − B на диаграмме (ϕ2 = 30 ÷ 400 ПКВ после НМТ). Воздух продолжает поступать в цилиндр по инерции и несколько увеличивает плотность заряда в цилиндре.

Двухтактный дизель

В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и всасывание четырехтактного двигателя заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около ВМТ и занимающими по углу п.к.в. всего 120–1400 .

14

В двухтактном двигателе клапаны заменяются специальными вырезами в рабочем цилиндре (окнами). Через продувочные окна в цилиндр поступает воздух, через выпускные из цилиндра удаляются продукты сгорания. Поршень, совершая возвратно-поступательное движение, закрывает и открывает окна, регулируя, таким образом, газораспределение.

Воздух нагнетается в цилиндр с помощью специального устройства (например, компрессора). В зависимости от способа осуществления продувки применяют две ос новные схемы – контурную и прямоточную. В контурной схеме продувки имеются продувочные и выпускные окна, а клапаны отсутствуют, в прямоточной схеме имеются только продувочные окна, а выпуск продуктов сгорания осуществляется, как и в четырехтактном двигателе, через выпускной клапан, расположенный в крышке цилиндра. Наиболее совершенными являются прямоточные системы продувки.

Рассмотрим принцип работы двухтактного двигателя с прямоточной системой продувки в соответствии с индикаторной диаграммой (рис.1.4).

Рис.1.4.Индикаторная диаграмма двухтактного ДВС.

Такт I. При движении поршня от НМТ к ВМТ заканчиваются процессы выпуска, продувки, наполнения цилиндра воздухом и

15

сжатия. Поршень перекрывает продувочные окна (точка 1), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень приходит в ВМТ (точка 2). Точка 2 соответствует моменту начала впрыска топлива.

Такт II. В районе ВМТ топливо воспламеняется. При движении поршня от ВМТ к НМТ происходит горение, расширение, выпуск и продувка. В точке 3 заканчивается процесс сгорания. Расширение продуктов сгорания осуществляется до начала открытия выпускного клапана (точка 4). Поршень, продолжая двигаться к НМТ, открывает продувочные окна (точка 5), в этот момент одновременно открыты и продувочные окна и выпускной клапан – начинается продувка цилиндра. В точке 6 закрывается выпускной клапан, заканчивается продувка цилиндра. Далее, до перекрытия поршнем продувочных окон (точка 1), происходит дополнительное нагнетание воздуха в цилиндр – дозарядка. В точке 1 перекрываются продувочные окна – начинается новый рабочий цикл.

Четырехтактные и двухтактные ДВС имеют свои достоинства и недостатки. Мощность двухтактного ДВС при одинаковых объемах цилиндров в 1,75–1,85 раза больше мощности четырехтактного ДВС. При прочих равных условиях рост в два раза обусловлен большим количеством рабочих ходов в единицу времени. Но у двухтактных ДВС хуже очистка цилиндров от продуктов сгорания, наполнение цилиндров свежим зарядом воздуха; у них часть рабочего объема теряется по причине наличия продувочных и выпускных окон.

Весь процесс газообмена двухтактного дизеля можно условно разделить на следующие периоды (рис.1.5 ):

Свободный выпуск – начинается с момента открытия поршнем выпускных окон (линия О − b ) и заканчивается в момент открытия поршнем продувочных окон (линия O − d ). В этот период происходит интенсивный выброс отработавших газов в выпускной тракт за счет

16

перепада давлений в цилиндре (~ 0,45 МПа) и в выхлопном патрубке

(~ 0,14 МПа).

Принудительный выпуск и продувка – начинаются в точке d и

заканчиваются в момент закрытия продувочных окон (линия O − d ′). При этом происходит принудительное вытеснение отработавших газов продувочным воздухом и одновременное заполнение цилиндра свежим зарядом.

Рис.1.5. Круговая диаграмма двухтактного ДВС.

Потеря заряда – объясняется тем, что верхние кромки выпускных окон расположены выше продувочных. Поршень при движении к ВМТ до момента закрытия выпускных окон (линия O − a ) успевает вытолкнуть через выпускные окна часть поступившего в цилиндр воздуха. Фаза потери заряда воздуха является нежелательной, поэтому существует ряд конструктивных решений для замены ее на фазу дозарядки. Например, вместо щелевой схемы продувки, описанной выше, используют прямоточную клапаннощелевую схему. В таких конструкциях дизелей выпускные окна отсутствуют, а вместо них в крышке цилиндра устанавливается выпускной клапан, приводимый в действие от механизма газораспределения.

17

1.5.Конструкция и характеристики дизеля

Современный дизельный двигатель представляет собой сложный агрегат, состоящий из ряда отдельных механизмов, систем и устройств. Конструкция дизельного двигателя зависит от его назначения, мощности, области применения и т.д. В любом двигателе можно выделить следующие основные узлы: остов, кривошипно-

шатунный механизм, механизм газораспределения и продувочные и наддувочные устройства.

Остов двигателя поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей двигателя – фундаментной рамы, картера, цилиндров, крышек цилиндров, анкерных связей,

шпилек и болтов, стягивающих эти детали.

Фундаментная рама является основанием остова, предназначена для укладки коленчатого вала и служит емкостью для сбора масла, вытекающего из узлов смазывания двигателя. Рама нагружена массой двигателя, силами давления газов, силами инерции поступательного движения и вращающихся масс. Если двигатель оборудован навешенными механизмами (водяными, масляными, топливоподкачивающими насосами), то они монтируются на переднем конце рамы. Рамовые подшипники являются опорой для шеек коленчатого вала.

Картер служит для соединения цилиндров с фундаментной рамой, образует закрытое пространство для размещения кривошипношатунного механизма (КШМ). Детали картера подвергаются растяжению от действия максимальной силы давления газов и сжатию усилием предварительной затяжки, а также изгибающим усилиям в крейцкопфных двигателях.

18

Рабочие цилиндры – это часть двигателя, где осуществляется рабочий цикл. Цилиндр состоит из рубашки и вставной втулки. Во втулке движется поршень и протекают рабочие процессы. Рубашка является опорой для втулки и образует полости для ее охлаждения. Цилиндры устанавливают на верхнюю обработанную плоскость станины или картера и закрепляют шпильками или анкерными связями.

Крышка рабочего цилиндра закрывает и уплотняет рабочий цилиндр и образует вместе с поршнем и втулкой камеру сгорания; на крышку действуют усилия от затяжки крышечных шпилек и переменного давления газов, а также высокая тепловая нагрузка; крышки двухтактных дизелей имеют более простую конструкцию изза отсутствия клапанов;

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями КШМ в крейцкопфных двигателях являются поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал; в тронковых двигателях

– поршень, поршневой палец, шатун, коленчатый вал.

Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. В тронковых двигателях он выполняет роль ползуна, управляет газообменом в двухтактных дизелях; днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Форма днища поршня зависит от примененного способа смесеобразования, расположения камеры сгорания и типа продувки. Поршень уплотняется в цилиндре поршневыми кольцами - компрессионными и маслосъемными. Компрессионные кольца уплотняют рабочий зазор, отводят теплоту от поршня к стенкам цилиндра; маслосъемные кольца регулируют количество масла, удаляя его излишки с зеркала цилиндра.

19

Шатун соединяет поршень или поперечину крейцкопфа с коленчатым валом, обеспечивает перемещение поршня при совершении вспомогательных ходов; шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна.

Группа коленчатого вала – сюда входят следующие узлы двигателя: коленчатый вал, противовесы, распределительная шестерня или звездочка, шестерни привода навешенных вспомогательных механизмов, узел осевой фиксации, демпфер, маховик. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. При работе двигателя вал нагружается силами давления газов, силами инерции движущихся возвратно-поступательно и вращающихся деталей. Для уравновешивания центробежных сил коленчатые валы снабжаются противовесами. Если вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу дизеля, приводятся во вращение от коленчатого вала самого двигателя, то раздача мощности на механизмы производится от коробки приводов. Отбор мощности производится на механизмы газораспределения, топливные, масляные насосы и насосы системы охлаждения. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала двигателя применяются маховики.

Механизм газораспределения открывает и закрывает впускные и выпускные органы в соответствии с принятыми фазами газообмена. Механизм газораспределения состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих им движение от коленчатого вала двигателя – шестерен,

распределительных валов, толкателей, штанг, рычагов. Конструкция механизма газораспределения зависит от конструкции самого дизельного двигателя. Как правило, применяются следующие типы газораспределения: клапанное, золотниковое и комбинированное.

20