Основы работы и общее устройство двигателей

1. Понятие о двигателе внутреннего сгорания. Классификации двигателей. Общее устройство двигателя. Основные понятия и назначение: ход поршня, объем цилиндра, мертвые точки, литраж двигателя, степень сжатия.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловой двигатель, в котором тепловая энергия сгорающего топлива преобразу­ется в механическую работу. Двигатели различаются:

• по числу цилиндров: одноцилиндровые и многоцилиндровые;

• по расположению цилиндров: рядные и V-образные;

• по числу тактов рабочего цикла: четырех- и двухтактные;

• по способу воспламенения рабочей смеси: искровые с прину­дительным воспламенением от электрической искры (карбюраторные и инжекторные) и с самовоспламенением от сжатия (дизели);

• по способу смесеобразования: карбюраторные (с внешним смесеобразованием) и дизели (с внутренним смесеобразованием).

Рассмотрим одноцилиндровый дизель (рис. 1). В цилиндре 6 помещен поршень 7, который шатуном 9 соединен с коленчатым валом

Рис. 1.Одноцилиндровый дизель:

1 — головка цилиндра; 2 —коромыс­ло; 3— форсунка; 4, 5— выпускной и ниускной клапаны; 6— цилиндр; 7 — поршень; 8— поршневой палец; 9 —шатун; 10 —маховик; 11 —картер; 12, 14— коленчатый и распределительный валы; 13— шестерни привода распреде­лительного вала; 15—топливный насос; 16—передаточные детали; 17—воздухочиститель

12. При перемещении его прямолинейное движение преобразуется через шатун и кривошип во вращательное дви жение коленчатого вала. На кон­це вала закреплен маховик 10, который служит для равномер­ного вращения вала при работе двигателя. Цилиндр плотно за­крыт сверху головкой 1. В по­следней находятся впускной 5 и выпускной 4 клапаны, закрыва­ющие соответствующие кана­лы.

Клапаны открываются под действием кулачков распредели­тельного вала 14 через переда­точные детали 16.

Распределительный вал и вал топливного насоса приводятся во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Топливо в ци­линдр дизеля поступает через форсунку 3 от топливного насоса.

Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения (рис. 3.2), в которых он меняет направление движения:

• верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня;

• нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня.

Расстояние, пройденное поршнем между мертвыми точками, составляет ход поршня. При этом за один ход поршня коленчатый вал повернется на пол-оборота, т.е. на 180°.

Пространство между головкой цилиндра и поршнем, находя­щимся в ВМТ, называется объемом камеры сгорания, или камеры сжатия.

Пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из ВМТ в НМТ, составляет рабочий объем цилиндра

V=(пD²/4)s

где D — диаметр цилиндра, см; s — ход поршня, см.

Необходимо различать следующие понятия

литраж — суммарный рабочий объем всех цилиндров двигате­ля: при малых объемах (до 1 л) его выражают в кубических санти­метрах (см³), а при больших — в литрах (л)

V_a = nD²si/4,

где V_a — рабочий объем (литраж) всех цилиндров, л; D — диаметр цилиндра, дм; s — ход поршня, дм; i — число цилиндров;

полный объем цилиндра — сумма объемов камеры сгорания и ра­бочего объема цилиндра;

степень сжатия — число, показывающее, во сколько раз пол­ный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (в карбю­раторных двигателях степень сжатия колеблется в пределах 6... 10, а в дизелях — 15...20);

такт — процесс, который происходит в цилиндре за один ход поршня;

рабочий цикл — ряд последовательно повторяющихся процес­сов-тактов. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за че­тыре хода поршня, называют четырехтактным.

Рабочие циклы двигателей. Работа четырехтактного дизельного двигателя. Оценка четырехтактных двигателей в сравнении с двухтактными и дизельных - с карбюраторными. Работа многоцилиндрового двигателя.

Рассмотрим рабочий цикл одного из цилиндров работающего четырехтактного дизеля.

Впуск — первый такт (рис. 3, а). Поршень из ВМТ перемеща­ется вниз к НМТ и, действуя подобно насосу, создает разрежение в цилиндре. Через открытый при этом впускной клапан в цилиндр засасывается чистый воздух под действием разности давлений внут­ри и снаружи цилиндра. Выпускной клапан при этом закрыт, в конце первого такта закрывается и впускной клапан. Давление в цилиндре в конце такта впуска составляет 0,08... 0,09 МПа, тем­пература — около 100 °С.

Сжатие — второй такт (рис. 3.3, б). Поршень, продолжая дви­жение, начинает перемещаться вверх. Поскольку оба клапана за­крыты, поршень сжимает воздух и температура его повышается. За счет высокой степени сжатия давление в цилиндре повышает­ся до 4 МПа, а температура сжатого воздуха повышается до 600 "С. В конце такта сжатия через форсунку в цилиндр впрыскивается порция мелкораспыленного дизельного топлива.

При соприкосновении с нагретым сжатым воздухом и горячими стенками цилиндра мелкие частицы топлива самовоспламеняются, и большая их часть сгорает.

Расширение, или рабочий ход, — третий такт (рис. 3, в).

Поршень под давлением образующихся продуктов горения начинает двигаться вниз. За время этого такта происходит полное сгора­ние топлива. Оба клапана (впускной и выпускной) при рабочем ходе поршня закрыты. Температура газов при сгорании достига­ет 2 ООО °С, а давление в цилиндре повышается до 8 МПа и более. Под действием большого давления расширяющихся газов поршень перемещается вниз и передает воспринимаемое им давление че­рез шатун на коленчатый вал, на котором создается вращающий момент и вал при этом вращается. В конце третьего такта, когда поршень достигает зоны НМТ, давление в цилиндре снижается до 0,4 МПа, а температура — до 700 °С.

Выпуск — четвертый такт (рис. 3, г). Поршень по инерции на­чинает ход вверх, и открывается выпускной клапан. Отработавшие газы под действием избыточного давления в цилиндре и под дав­лением поршня удаляются из цилиндра. Когда поршень находит­ся около ВМТ, выпускной клапан закрывается, а впускной

откры­вается. Далее рабочий цикл повторяется.

Дизели по сравнению с карбюраторными двигателями более экономичны, вследствие высокой степени сжатия в них расходу­ется на 25% меньше топлива (на единицу совершаемой работы). К тому же они работают на топливе, которое является менее пожароопасным.Рабочий цикл четырехтактных двигателей совершается за два оборота коленчатого вала. За это время

усилие от поршня переда­ется коленчатому валу только при его полуобороте, соответствую­щем рабочему ходу поршня. Затем коленчатый вал с помощью ма­ховика под действием инерции перемещает поршень при всех вспо­могательных тактах (выпуске, впуске и сжатии). Вследствие этого коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравно­мерно: при рабочем ходе — ускоренно, а при вспомогательных тактах — замедленно. Кроме того, для работы одноцилиндрового двигателя обычно характерны небольшая мощность и повышен­ная вибрация. По этой причине современные тракторы оснащены многоцилиндровыми двигателями.Чтобы такой двигатель работал равномерно, такты расширения (рабочий ход) в отдельных цилиндрах должны следовать через рав­ные углы поворота коленчатого вала, т. е. через равные промежут­ки времени. Последовательность чередования одноименных так­тов в цилиндрах называют порядком работы цилиндров двигателя. Например, порядок работы четырехцилиндровых отечественных тракторных двигателей 1 — 3—4—2. Эта запись означает, что после рабочего хода в цилиндре 1 (рис. 3.4) следующий рабочий ход про-

происходит в цилиндре 3, затем в цилиндре 4 и, наконец, в цилинд­ре 2.

Определенная последовательность соблюдается и в двигателях большим числом цилиндров, например порядок работы цилин­дров двигателя в шестицилиндровом V-образном дизеле 1 —4—2— 5-3-6.

Основная цель при выборе порядка работы двигателя — равномерное распределение нагрузки на коленчатом валу.

Многоцилиндровые тракторные двигатели бывают рядными и -образными. В рядных двигателях (рис. 3.5, а) цилиндры расположены вертикально,

Рис. 5.Многоцилиндровые двигатели:
а,б— рядное (а)и V-образное (б) расположение цилиндров; в— схема кривошип-
но-шатунного механизма восьмицилиндрового V-образного двигателя; 1 - 8— ци-
линдры; — направление вращения маховика

а в V-образных (рис. 3.5, б, в) — под углом один к другому. Для V-образной компоновки характерны меньшие габаритные размеры и масса, чем у рядных двигателей.

Исходя из известного порядка работы цилиндров двигателя вы­полняют соответствующее присоединение топливопроводов к фор­сункам и регулировку клапанов.