техника транспорта обслуживание и ремонт

вспомогательного оборудования, заправочные объемы, а также данные для регулирования и контроля.

1.4. Двигатели внутреннего сгорания. Рабочие циклы

Двигатели можно подразделять по следующим основным характеристикам и признакам.

По способу осуществления рабочего цикла:

четырехтактные (Ч), у которых рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала);

двухтактные (Д), у которых рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала);

По способу действия:

простого действия (Ч и Д), у которых рабочий цикл осуществляется только в верхней полости цилиндра;

двойного действия (ДД), у которых рабочий цикл совершается в двух полостях (над поршнем и под поршнем);

спротивоположно движущимися поршнями (ПДП) (в настоящее время

ДДи ПДП в автомобилестроении не применяют, но могут быть отдельные разработки в дальнейшем, особенно для большегрузных самосвалов).

По роду рабочего цикла:

сподводом теплоты при почти постоянном объеме (V=const) – двигатели с принудительным зажиганием топлива и низкой степенью сжатия (карбюраторные и газовые);

сподводом теплоты при почти постоянном давлении (P=const) – двигатели с воздушным распыливанием топлива, самовоспламенением и высокой степенью сжатия;

со смешанным подводом теплоты частично по изохоре (V=const) и частично по изобаре (P=const) – все современные дизели с высокой степенью сжатия, механическим впрыском топлива и самовоспламенением.

По роду применяемого топлива:

легкое жидкое топливо (бензин, лигроин, керосин и др.), которое вводится в

цилиндр в парообразном состоянии в смеси с воздухом; тяжелое жидкое топливо (дизельное, моторное, мазут, газойль, водо-

топливные эмульсии, водо-угольные суспензии и др.), впрыскиваемое в цилиндр под давлением;

газожидкостное: основное топливо – газ, запальное топливо (около

10…15%) – жидкое;

многотопливные – приспособленные для работы в широком ассортименте жидких топлив – от легких до тяжелых.

По способу наполнения рабочего цилиндра:

11

без наддува – у которых наполнение воздухом или рабочей смесью обеспечивается перемещением поршня (из ВМТ до НМТ) или за счет продувочного воздуха;

с наддувом – у которых воздух или рабочая смесь подается в цилиндр под повышенным давлением наддува Рк.

По способу смесеобразования:

свнутренним смесеобразованием – у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндра в результате распыливания топлива (все дизели и двигатели легкого топлива с непосредственным впрыском);

свнешним смесеобразованием – у которых рабочая смесь образуется вне рабочего цилиндра (карбюраторные и газовые с искровым зажиганием).

По форме камер сгорания (КС):

неразделенными однополостными КС; полуразделенными КС (дизели и КС в поршне);

разделенными двумя и более полостями (предкамерные, вихре камерные, воздушно-камерные).

По способу воспламенения топлива:

ссамовоспламенением;

спринудительным зажиганием;

скомбинированным воспламенением (газодизель).

По конструктивному исполнению:

тронковые; крейцкопфные.

По расположению рабочих цилиндров:

вертикальные, горизонтальные, однорядные, V, W-образные, многорядные, звездообразные и т.д.

К числу достоинств дизелей относятся следующие: высокая топливная экономичность, быстрый пуск и готовность к немедленному приему нагрузки, высокая степень форсирования рабочего процесса, многотопливность, высокий ресурс.

Основными негативными свойствами поршневых ДВС являются: наличие возвратно-поступательного движения масс, а также неравномерность крутящего момента, сложность конструкции и повышенный расход смазочного масла.

Главное достоинство карбюраторных двигателей – малый удельный вес ( 3 кг/л.с.), небольшие габариты, быстрота пуска, легкость ухода и обслуживания.

Недостатки: малый срок службы, большая стоимость топлива, его пожароопасность, кроме токсичности составляющих остаточных газов наблюдается выброс картерных газов, а также паров бензина.

12

Под рабочим циклом ДВС понимается совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в двигателе в определенной последовательности и обеспечивающих непрерывность его работы.

Рассмотрим схему работы четырехтактного дизеля с наддувом (рис.3).

1-й такт – впуск. Осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане. Для улучшения наполнения цилиндра открытие

впускного клапана начинается на подходе поршня к ВМТ (точка 1), а закрытие

–после НМТ (точка 2).

Рис. 3. Диаграммы рабочих процессов четырѐхтактных двигателей

Величина достигаемого давления Ра зависит от гидравлического совершенства тракта, фаз газораспределения и динамических явлений во впускной и выпускной системах.

2-й такт – сжатие. Происходит при движении поршня от НМТ (точка А) до ВМТ (точка С). Практически процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана (точка К) за 10…300 пкв до ВМТ в среду сжатого в цилиндре воздуха начинается впрыск топлива (точка 2) и спустя 5…100 пкв это топливо

13

воспламеняется в точке 3. Фактически давление в цилиндре в ВМТ (точка С) оказывается выше расчетного давления в конце сжатия (точка С).

3-й такт – горение-расширение. Происходит при движении поршня от ВМТ (точка С) к НМТ (точка В). Начавшаяся топливоподача продолжается 30…350 пкв и заканчивается в точке 4 за ВМТ. Горение начинается в точке 3. Через 10…150 пкв после ВМТ достигается максимальная температура Тz. Фактически окончание горения затягивается до точки 5; расширение продолжается до точки 6

– момента открытия выпускного клапана.

4-й такт – выпуск. Происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытии выпускного клапана. Процесс выпуска начинается с момента открытия выпускного клапана в точке 6. Благодаря перепаду давлений происходит быстрое истечение газов в выпускной коллектор. Закрытие выпускного клапана происходит в точке 8 за ВМТ.

Фаза перекрытия клапанов используется для продувки цилиндра. Цель продувки – очистка камеры сгорания (КС) от остаточных продуктов сгорания, а также охлаждение воздухом клапанов и днища поршня.

Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и впуск заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около НМТ.

Рассмотрим работу двухтактного двигателя (рис. 4).

1-й такт – сжатие. При восходящем движении поршня заканчиваются процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра воздухом. С момента закрытия выпускного клапана и продувочных окон поршнем в цилиндре происходит сжатие, и за 15…200 пкв до ВМТ впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.

2-й такт – горение, расширение и продувка. При нисходящем движении поршня заканчиваются топливоподача и горение топлива, после чего процесс расширения продолжается до момента открытия выпускного клапана. После открытия продувочных окон верхней кромкой поршня начинаются продувка и наполнение цилиндра. Рабочий цикл повторяется.

При одинаковых значениях D, S, i, n, Pe в двухтактном двигателе теоретически можно получить вдвое большую мощность, чем в четырехтактном. В действительности, мощность возрастает в 1,7…1,85 раза, так как часть хода поршня из-за наличия окон теряется. Худшая очистка цилиндра, потери воздушного заряда и др. снижают мощность двухтактных дизелей. У двухтактных двигателей большая равномерность крутящего момента, ввиду того, что рабочий ход приходится на каждый оборот коленчатого вала.

14

Рис. 4. Диаграмма рабочего процесса двухтактного двигателя

Процессы впуска, выпуска, горения-расширения в четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как на них отводится больший угол пкв, чем в двухтактных, тогда как процесс топливоподачи у двухтактных дизелей заметно короче, чем у четырехтактных.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя

Первый такт – впуск бензиновоздушной смеси; поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндре создается разрежение порядка 0,07…0,09 МПа и смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Эта смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска 75…1250 С.

Второй такт – сжатие: поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышается. В конце такта сжатия давление достигает 0,9…1,5 МПа, а температура 350…5000 С.

Третий такт – расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от искрового разряда в свече зажигания и быстро сгорает. Максимальное давление смеси достигает 3,5…5,0 Мпа, а температура 2200…25000 С. В конце расширения открывается выпускной клапан и начинается процесс выпуска – четвертый такт. Дальнейшее осуществляется так же, как описано ранее в дизельном цикле.

15

Рабочий цикл с искровым зажиганием

Процесс сгорания топлива в двигателях этой группы (как четырехтактных, так и двухтактных) протекает почти при постоянном объеме.

Всуществующих газовых двигателях этого типа верхний предел допустимой степени сжатия определяется условиями нормального горения, в силу чего ее значение практически не превышает 8, редко 10. У большинства газовых четырехтактных двигателей свежий заряд поступает в цилиндр в виде газовоздушной смеси в течение хода всасывания.

Внекоторых случаях в четырехтактных двигателях, работающих на газовом топливе, применяется своеобразный наддув. В этом случае по линии впуска идет заполнение цилиндра двигателя сжатым воздухом. Газ подается в камеру сгорания под давлением 0,3…0,5 МПа в первой половине хода сжатия. Зажигание осуществляется электрической искрой в ходе конца сжатия. Увеличение наполнения цилиндра по этому циклу происходит вследствие принудительной подачи газа в свежий заряд воздуха и уменьшения гидравлических потерь в результате улучшения впускной смеси.

Эффективный КПД этого цикла несколько ниже обычного четырехтактного цикла вследствие худших условий смесеобразования.

Рабочий цикл газожидкостного двигателя (газодизеля)

Рабочий цикл с газожидкостным процессом характеризуется тем, что в цилиндре двигателя во время такта сжатия находится газовоздушная смесь, а жидкое топливо вводится в цилиндр в конце сжатия и, самовоспламеняясь, поджигает смесь.

В четырехтактном двигателе наполнение цилиндра газо-воздушной смесью осуществляется путем засасывания в цилиндр, а в двухтактных – путем продувки цилиндра готовой смесью или воздухом с последующим добавлением газа.

Газовоздушный цикл, обобщая частные случаи работы газового двигателя и двигателя на жидком топливе, характеризуется обычными зависимостями между его параметрами, однако, вследствие использования двух топлив, совершенно различных по своим физическим свойствам, эти зависимости несколько отличаются друг от друга.

Работа двигателя в транспортных условиях определяется тем, что при каждом включении коробки передач трансмиссии автомобиля число оборотов двигателя может изменяться в широких пределах и пропорционально (если пренебречь пробуксовкой) скорости движения. При этом на каждой скорости движения и, следовательно, при любом числе оборотов двигателя его нагрузка может меняться в зависимости от условий , от холостого хода до максимальной. Таким образом, возможные режимы работы двигателя, работающего в транспортных условиях, отражаются на диаграмме рис. 5 площадью, ограниченной сверху максимальной мощностью двигателя и числом оборотов

16

1.5. Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для восприятия давления газов и преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Механизм состоит из неподвижных и подвижных деталей. К подвижным деталям относятся: блок цилиндров, гильзы цилиндров, головка блока цилиндров,

подвижным – поршень в сборе, шатун, коленчатый вал и маховик.

Блок цилиндров составляет одно целое с верхней частью картера (рис. 6) и служит основанием для крепления всех основных деталей и агрегатов обслуживающих двигатель. Он отлит из чугуна (может быть и силуминовый). Когда блок выполнен с верхней частью картера, эту конструкцию называют блоккартером.

Рис. 6. Блоки цилиндров и головки двигателей:

а – шестицилиндрового; б – четырѐхцилиндрового; в – восьмицилиндрового V-образного; 1-головка блока; 2 – водяная рубашка; 3 – камера сгорания; 4 – шпилька; 5 – блок цилиндров; 6 – цилиндр; 7- седло клапана; 8 – водяная рубашка; 9 – впускной и выпускной каналы; 10 – клапанная коробка; 11 – коренной подшипник; 12 – картеры; 13 – фланец крепления поддона; 14 – фланец крепления картера маховика; 15 – прокладка; 16 – уплотнительная прокладка; 17 – мокрая гильза; 18 – головка блока; 19 – крышка распределительных шестерѐн; 20 – поддон картера; 21 – картер маховика.

18

Высокая жѐсткость блока цилиндров обеспечивается тем, что плоскость разъѐма с поддоном располагается ниже оси коленчатого вала. В верхней части блока имеется обработанная поверхность, на которой устанавливается головка цилиндров. Нижняя часть блока заканчивается обработанным фланцем длшя присоединения нижнего картера (поддона). К передней части блока крепится крышка, закрывающая шестерни распределения, а к задней плоскости блока присоединѐн картер сцепления.

Блок цилиндров имеет обработанные посадочные отверстия для гильз цилиндров, а на поверхностях, сопрягаемых с головкой блока, имеются отверстия для подачи охлаждающей жидкости из водяной рубашки в головки блока цилиндров.

Нижняя внутренняя часть блока цилиндров разделена поперечными перегородками на отсеки, в каждом из которых расположено по цилиндру. В нижней части блока с наружной стороны имеются водораспределительные каналы, а с внутренней стороны – камеры штанг толкателей. В блоке просверлены каналы для прохода масла.

Поперечные вертикальные перегородки внутри блока цилиндров совместно с передней и задней стенками картера двигателя обеспечивают необходимую прочность и жѐсткость блока цилиндров. В этих перегородках, а также в передней и задней стенках картера растачивают гнѐзда под верхние половины коренных подшипников коленчатого вала, нижние половины которых, помещаются в специальных крышках, крепящихся к блоку цилиндров болтами.

Гильзы цилиндров обычно мокрого типа, они отлиты из специального модифицированного чугуна, обладающего повышенной прочностью и износостойкостью или из сталей марок 35ХМЮ, 35ХМЮА и др. С целью повышения износостойкости втулок используют азотированные стальные втулки. Мокрые – снаружи омываются охлаждающей жидкостью в отличие от сухих, которые устанавливаются в специальные отверстия в блоке и с охлаждающейся жидкостью не соприкасаются.

Головка блока цилиндров вместе с днищем поршня и стенками цилиндров образует камеру сгорания. Конструкция головки блока цилиндра зависит от формы камеры сгорания, числа и расположения клапанов, форсунок или свечей зажигания, впускных и выпускных каналов, системы охлаждения.

Головка отливается из чугуна или алюминия. В верхнюю часть запрессованы направляющие втулки клапанов. Головка крепится шпильками. В нижней части головки имеются отверстия для запрессовки сѐдел клапанов. На верхней плоскости головки размещены клапаны с пружинами, коромысла клапанов со стойками, а также латунные стаканы под форсунки для дизельных двигателей. Сверху головка закрыта стальной штампованной крышкой. Уплотнение обеспечивается прокладками.

Поршень представляет собой металлический стакан, установленный в цилиндре с некоторым зазором. Верхняя, усиленная часть поршня, воспринимающая давление газов, называется головкой, а нижняя направляющая

19

часть – тронком или юбкой. Приливы в стенках тронка, служащие для установки поршневого пальца, называются бобышками.

Поршни бензиновых двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов, а дизельных – из чугуна или стали. Поршни бывают сплошные и составные (головка крепится к тронку) (рис.7).

Рис. 7. Шатунно-поршневая группа

1 – стопорное кольцо; 2 – поршневой палец; 3 – маслосъѐмные кольца; 4 – метка на днище поршня; 5 – компрессионные кольца; 6 – поршень; 7 – шатун; 8 – метка на стержне шатуна; 9 – шатунный болт; 10 – крышка шатуна; 11 – корончатая гайка; 12 – метка на крышке шатуна.

20