ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В
настоящее время существует большое количество
устройств, использующих тепловое расширение
газов. К таким устройствам относится
карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные
двигатели и т.д.
Тепловые двигатели могут быть разделены
на две основные группы.
1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые
машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга
и т.д.
2. Двигатели внутреннего сгорания.
В качестве энергетических установок
автомобилей наибольшее распространение
получили двигатели внутреннего сгорания,
в которых процесс сгорания топлива с
выделением теплоты и превращением ее
в механическую работу происходит непосредственно
в цилиндрах.
На большинстве современных автомобилей
установлены двигатели внутреннего сгорания.
Наиболее экономичными являются поршневые
и комбинированные двигатели внутреннего
сгорания. Они имеют достаточно большой
срок службы, сравнительно небольшие габаритные
размеры и массу. Основным недостатком
этих двигателей следует считать возвратно-поступательное
движение поршня, связанное с наличием
криво шатунного механизма, усложняющего
конструкцию и ограничивающего возможность
повышения частоты вращения, особенно
при значительных размерах двигателя.
А
теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель
внутреннего сгорания (ДВС)был создан
в 1860 г. французским инженером Этвеном
Ленуаром, но эта машина была еще весьма
несовершенной. В 1862 г. французский изобретатель
Бо де Роша предложил использовать в двигателе
внутреннего сгорания четырехтактный
цикл:
1)всасывание; 2) сжатие; 3) горение и
расширение; 4) выхлоп. Эта идея была
использована немецким изобретателем
Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный
двигатель внутреннего сгорания. КПД такого
двигателя достигал 22%, что превосходило
значения, полученные при использовании
двигателей всех предшествующих типов.
Быстрое распространение ДВС в промышленности,
на транспорте, в сельском хозяйстве и
стационарной энергетике была обусловлена
рядом их положительных особенностей.
Осуществление рабочего цикла ДВС в одном
цилиндре с малыми потерями значительным
перепадом температур между источником
теплоты и холодильником обеспечивает
высокую экономичность этих двигателей.
Высокая экономичность - одно из положительных
качеств ДВС. Среди ДВС дизель в настоящее
время является таким двигателем, который
преобразует химическую энергию топлива
в механическую работу с наиболее высоким
КПД в широком диапазоне изменения мощности.
Это качество дизелей особенно важно,
если учесть, что запасы нефтяных топлив
ограничены.
К положительным особенностям ДВС стоит
отнести также то, что они могут быть соединены
практически с любым потребителем энергии.
Это объясняется широкими возможностями
получения соответствующих характеристик
изменения мощности и крутящего момента
этих двигателей.
Рассматриваемые двигатели успешно используются
на автомобилях тракторах , сельскохозяйственных
машинах, тепловозах, судах ,электростанциях
и т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью
к потребителю.
Сравнительно невысокая начальная стоимость,
компактность и малая масса ДВС позволили
широко использовать их на силовых установках,
находящих широкое применение и имеющих
небольшие размеров моторного отделения.
Установки с ДВС обладают большой автономностью.
Даже самолеты с ДВС могут летать десятки
часов без пополнения горючего. Важным
положительным качеством ДВС является
возможность их быстрого пуска в обычных
условиях. Двигатели, работающие при низких
температурах, снабжаются специальными
устройствами для облегчения и ускорения
пуска. После пуска двигатели сравнительно
быстро могут принимать полную нагрузку.
ДВС обладают значительным тормозным
моментом, что очень важно при использовании
их на транспортных установках. Положительным
качеством дизелей является способность
одного двигателя работать на многих топливах.
Так известны конструкции автомобильных
многотопливных двигателей, а также судовых
двигателей большой мощности, которые
работают на различных топливах – от дизельного
до котельного мазута. Но наряду с положительными
качествами ДВС обладают рядом недостатков.
Среди них ограниченное по сравнению,
например с паровыми и газовыми турбинами
агрегатная мощность. Высокий уровень
шума, относительно большая частота
вращения
коленчатого вала при пуске и невозможность
непосредственного соединения его с ведущими
колесами потребителя, Токсичность выхлопных
газов, возвратно-поступательное движение
поршня, ограничивающие частоту вращения
и являющиеся причиной появлений не уравновешенных
сил инерции и моментов от них. Но невозможно
было бы создание двигателей внутреннего
сгорания, их развития и применения, если
бы не эффект теплового расширения. Ведь
в процессе теплового расширения нагретые
до высокой температуры газы совершают
полезную работу. Вследствие быстрого
сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего
сгорания, резко повышается давление,
под воздействием которого происходит
перемещение поршня в цилиндре. А это-то
и есть та самая нужная технологическая
функция, т.е. силовое воздействие,
создание больших давлений, которую выполняет
тепловое расширение, и ради которой это
явление применяют в различных технологиях
и в частности в ДВС.
ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ
Классификация ДВС
Как
было выше сказано, в качестве энергетических
установок автомобилей наибольшее распространение
поучили ДВС, в которых процесс сгорания
топлива с выделением теплоты и превращением
ее в механическую работу происходит непосредственно
в цилиндрах. Но в большинстве современных
автомобилей установлены двигатели внутреннего
сгорания, которые классифицируются по
различным признакам: По способу смесеобразования
- двигатели с внешним смесеобразованием,
у которых горючая смесь приготовляется
вне цилиндров (карбюраторные и газовые),
и двигатели с внутренним смесеобразованием
(рабочая смесь образуется внутри цилиндров)
-дизели; По способу осуществления рабочего
цикла - четырехтактные и двухтактные;
По числу цилиндров - одноцилиндровые,
двухцилиндровые и многоцилиндровые;
По расположению цилиндров - двигатели
с вертикальным или наклонным расположением
цилиндров в один ряд, V-образные с расположением
цилиндров под углом (при расположении
цилиндров под углом 180 двигатель называется
двигателем с противолежащими
цилиндрами,
или оппозитным); По способу охлаждения
- на двигатели с жидкостным или воздушным
охлаждением; По виду применяемого топлива
- бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные
;По степени сжатия. В зависимости от степени
сжатия различают двигатели высокого
(E=12...18) и низкого (E=4...9) сжатия; По способу
наполнения цилиндра свежим зарядом:а)
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
компрессором,
с целью увеличения заряда и получения
повышенной мощности двигателя; По частоте
вращения: тихоходные, повышенной частоты
вращения, быстроходные ;По назначению
различают двигатели стационарные, авто
тракторные ,судовые, тепловозные, авиационные
и др.
Основы
устройства поршневых ДВС
Поршневые ДВС
состоят из механизмов и систем, выполняющих
заданные им функции и взаимодействующих
между собой. Основными частями такого
двигателя являются кривошипно-шатунный
механизм и газораспределительный механизм,
а также системы питания, охлаждения, зажигания
и смазочная система.
Кривошипно-шатунный
механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное
движение поршня во вращательное движение
коленчатого вала . Механизм газораспределения
обеспечивает своевременный впуск горючей
смеси в цилиндр и удаление из него продуктов
сгорания. Система питания предназначена
для приготовления и подачи горючей смеси
в цилиндр, а также для отвода продуктов
сгорания. Смазочная система служит для
подачи масла к взаимодействующим деталям
с целью уменьшения силы трения и частичного
их охлаждения, наряду с этим циркуляция
масла приводит к смыванию нагара и удалению
продуктов изнашивания.
Система охлаждения
поддерживает нормальный температурный
режим работы двигателя, обеспечивая отвод
теплоты от сильно нагревающихся при сгорании
рабочей смеси деталей цилиндров поршневой
группы и клапанного механизма. Система
зажигания предназначена для воспламенения
рабочей смеси в цилиндре
двигателя .
Итак, четырехтактный поршневой двигатель
состоит из цилиндра и картера, который
снизу закрыт поддоном . Внутри цилиндра
перемещается поршень с компрессионными
(уплотнительными) кольцами, имеющий форму
стакана с днищем в верхней части. Поршень
через поршневой палец и шатун связан
с коленчатым
валом, который
вращается в коренных подшипниках, расположенных
в картере. Коленчатый вал состоит из коренных
шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр ,поршень,
шатун и коленчатый вал составляют так
называемый кривошипно- шатунный механизм.
Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами,
открытие и закрытие которых строго согласовано
с вращением коленчатого вала, а следовательно,
и с перемещением поршня. Перемещение
поршня ограничивается двумя крайними
положениями, при которых его скорость
равна нулю. Крайнее верхнее положение
поршня называется верхней мертвой точкой
(ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя
мертвая точка (НМТ).
Безостановочное
движение поршня через мертвые точки обеспечивается
маховиком, имеющим форму диска с массивным
ободом. Расстояние, проходимое поршнем
от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня
S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа:
S=2R. Пространство над днищем поршня при
нахождении его в ВМТ называется камерой
сгорания; ее объем обозначается через
Vс; пространство цилиндра между двумя
мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется
его рабочим объемом и обозначается Vh.
Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего
объема Vh составляет полный объем цилиндра
Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его
измеряют в кубических сантиметрах или
метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра.
Сумму всех рабочих объемов цилиндров
многоцилиндрового двигателя называют
рабочим объемом двигателя, его определяют
по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров.
Отношение полного объема цилиндра Va к
объему камеры
сгорания Vc называется степенью
сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия
является важным параметром двигателей
внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет
на его экономичность и мощность .
Принцип работы
Действие поршневого
двигателя внутреннего сгорания основано
на использовании работы теплового расширения
нагретых газов во время движения поршня
от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении
ВМТ достигается в результате сгорания
в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом.
При этом повышается температура
газов и давления.
Т. к .давление под поршнем равно атмосферному,
а в цилиндре оно намного больше, то под
действием разницы давлений поршень будет
перемещаться вниз, при этом газы - расширяться,
совершая полезную работу. Вот здесь-то
и дает о себе знать тепловое расширение
газов, здесь и заключается его технологическая
функция: давление на поршень. Чтобы двигатель
постоянно вырабатывал механическую энергию,
цилиндр необходимо периодически заполнять
новыми порциями воздуха через впускной
клапан и топливо через форсунку или подавать
через впускной клапан смесь воздуха с
топливом. Продукты сгорания топлива после
их расширения удаляются из цилиндра через
впускной клапан. Эти задачи выполняют
механизм газораспределения, управляющий
открытием и закрытием клапанов, и система
подачи топлива.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного
двигателя
В отличие от карбюраторного
двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо
вводятся раздельно
Рабочие циклы четырёхтактного
дизеля и карбюраторного двигателя существенно
различаются по способу смесеобразования
и воспламенения рабочей смеси. Основное
отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля
при такте впуска поступает не горючая
смесь, а воздух, который из–за большой
степени сжатия нагревается до высокой
температуры, а затем в него впрыскивается
мелкораспылённое топливо, которое под
действием высокой температуры воздуха
самовоспламеняется.
В четырёхтактном
дизеле рабочие процессы происходят следующим
образом.
- Такт впуска
При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие
образующегося разряжения из воздухоочистителя
в полость цилиндра через открытый впускной
клапан поступает атмосферный воздух.
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.
- Такт сжатия, рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через
форсунку впрыскивается дизельное топливо,
подаваемое топливным насосом. Впрыснутое
топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом,
самовоспламеняется и начинается процесс
сгорания, характеризующийся быстрым
повышением температуры и давления. Под
действием давления газов поршень перемещается
от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.