Учебный вопрос № 2 Принцип работы бензинового и дизельного двигателей
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на свойстве газов расширяется при нагревании (рис. 12).
Рис. 12. Двигатель внутреннего сгорания (СЛАЙД № 19)
Взаимодействие механизмов и систем дизельного двигателя происходит следующим образом (СЛАЙД № 20). Когда поршень опускается вниз, воздух через открытый впускной клапан поступает в цилиндр. При движении поршня вверх воздух сжимается, его температура повышается до 400-500 °С. Когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, в цилиндр впрыскивается топливо, смешиваясь с горячим воздухом, образуя горючую смесь, которая затем самовоспламеняется и сгорает. В процессе сгорания образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под действием давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. 13). Затем поршень двигается вверх и выталкивает отработавшие газы через открывающийся выпускной клапан.
Рис. 13. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя (СЛАЙД № 21)
В бензиновом двигателе протекают похожие с первого взгляда процессы (СЛАЙД № 22) . Полость цилиндра сверху закрывается головкой цилиндра с камерой сгорания, а снизу - масляным картером. Поршень, помещенный в цилиндр, может свободно перемещаться в цилиндре. Поршень при помощи пальца и шатуна шарнирно соединяется с кривошипом коленчатого вала. К валу крепится массивное чугунное колесо-маховик. Таким образом, поршень совершает прямолинейное поступательное движение вниз, а коленчатый вал - вращательное движение (рис. 14).
Рис. 14. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя (СЛАЙД № 23)
Маховик, получив заряд кинетической энергии, будет продолжать некоторое время вращать вал с кривошипом и перемещать поршень вверх и вниз. Для подготовки цилиндра к новой вспышке и расширению газов (рабочему ходу) необходимо очистить цилиндр от продуктов сгорания, заполнить его новым зарядом горючей смеси и сжать эту смесь, вернув поршень в исходное положение, т.е. вверх цилиндра. Перемещаясь, поршень выталкивает продукты сгорания через открываемое выпускным клапаном отверстие. После выпуска отработавших газов открывается впускным клапаном другое отверстие - впускное; поршень перемещается вниз и, вследствие разряжения, цилиндр заполняется горючей смесью - происходит впуск. Чтобы воспламенить смесь, необходимо вернуть поршень в исходное верхнее положение и сжать смесь. Эта часть процесса называется сжатием.
Примеры многоцилиндровых двигателей представлены на рис.15.
Рис. 15. Примеры многоцилиндровых двигателей (ЯМЗ-238) (СЛАЙД № 24)
Выводы по вопросу.
Учебный вопрос № 3. Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания
Как видим, для производства одного рабочего хода необходимо произвести три подготовительных - выпуск, впуск и сжатие. Каждый из этих процессов протекает за половину оборота коленчатого вала, а все четыре - рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие - за два оборота. Подготовительные процессы в одноцилиндровом двигателе происходят за счет энергии маховика, накопленной им при рабочем ходе.
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу (СЛАЙД № 26).
Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на военной автомобильной технике не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторных дизелях. Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно большой расход топлива и недостаточное наполнение горючей смесью из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.
На военной автомобильной технике применяются двигатели, работающие по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом (рис. 16).
Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разрежения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08-0,095 МПА, а температура 40-60 °С.
Рис. 16. Рабочий цикл четырехтактного дизеля (СЛАЙД № 27)
Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550-700°С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0-5,0 МПа.
Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура – 1800-2000 °С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0,3-0,5 МПа, а температура – до 700-900 °С.
Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11-0,12 МПа, а температура – до 500-700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно отличаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр карбюраторного двигателя при такте впуска поступает не воздух, а горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, которая в конце такта сжатия воспламеняется от электрической искры системы зажигания. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис.17) рабочий цикл происходит следующим образом .
Такт впуска. Поршень находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре образуется разрежение, равное 0,07-0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75-125 °С.
Рис. 17. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового
карбюраторного двигателя (СЛАЙД № 28).
Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрывается, а выпускной – остается закрытым. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от конструкции двигателя давление в конце такта сжатия может составлять 0,8-1,5 МПа, а температура газов 300-450 °С.
Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5-5 МПа, а температура газов 2100-2400 °С.
При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура – до 900-1200 °С.
Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105-0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750-900 °С, понижаясь к его концу до 500-600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.
Выводы по вопросу.