Переваги двигуна внутрішнього згоряння. Двигун внутрішнього згоряння

  • 8 Комбінований двигун внутрішнього згоряння
  • 10

    • Історія створення

    Перший практично придатний газовий двигун внутрішнього згоряння був сконструйований французьким механіком Етьєном Ленуаром (1822-1900) в 1860 році. Потужність двигуна складала 8,8 кВт (12 л. С.). Двигун був одноциліндровий горизонтальну машину подвійної дії, яка працювала на суміші повітря і светильного газу з електричним іскровим запалюванням від стороннього джерела. К.к.д. двигуна не перевищував 4,65%. Незважаючи на недоліки, двигун Ленуара отримав деяке поширення. Використовувався як човновий двигун.

    Познайомившись з двигуном Ленуара видатний німецький конструктор Микола Аугуст Отто (1832-1891) створив в 1863 двотактний атмосферний двигун внутрішнього згоряння. Двигун мав вертикальне розташування циліндра, запалювання відкритим полум'ям і к.к.д. до 15%. Витіснив двигун Ленуара.

    У 1876 Ніколаус Август Отто побудував досконаліший чотиритактний газовий двигун внутрішнього згоряння.

    Мотоцикл Даймлера з ДВС 1885 року

    У 1885 році німецькі інженери Готліб Даймлер і Вільгельм Майбах розробили легкий бензиновий карбюраторний двигун. Даймлер і Майбах використовували його для створення першого мотоцикла в 1885, а в 1886 році - на першому автомобілі.

    У 1896 році Чарльз В. Харт і Чарльз Парр розробили двоциліндровий бензиновий двигун. У 1903 році їх фірма побудувала 15 тракторів. Їх шеститонний є найстарішим трактором з двигуном внутрішнього згоряння в Сполучених Штатах і зберігається в Смітсонівському Національному музеї американської історії у Вашингтоні, округ Колумбія. Бензиновий двоциліндровий двигун мав абсолютно ненадійну систему запалювання і потужність 30 л. с. на холостому ходіі 18 л. с. під навантаженням.

    Ден Елбон з його прототипом сільськогосподарського трактора Ivel

    Першим практично придатним трактором з двигуном внутрішнього згоряння був американський триколісний трактор Ivel Дена Елборна 1902 року. Було збудовано близько 500 таких легких і потужних машин.

    Типи двигунів внутрішнього згоряння

    поршневий ДВС

    роторний ДВС

    газотурбінний ДВС

    • Поршневі двигуни - камера згоряння міститься в циліндрі, де теплова енергія палива перетворюється в механічну енергію, яка з поступального руху поршня перетворюється в обертальну за допомогою кривошипно-шатунного механізму.

    ДВС класифікують:

    а) За призначенням - діляться на транспортні, стаціонарні і спеціальні.

    б) За родом застосовуваного палива - легкі рідкі (бензин, газ), важкі рідкі (дизельне паливо, суднові мазути).

    в) За способом утворення горючої суміші- зовнішнє (карбюратор) і внутрішнє (в циліндрі ДВС).

    г) За способом займання (з примусовим запалюванням, із запалюванням від стиснення, калорізаторние).

    д) По розташуванню циліндрів поділяють рядні, вертикальні, оппозітниє з одним і з двома КОЛІНВАЛИ, V-подібні з верхнім і нижнім розташуванням коленвала, VR-образні і W-подібні, однорядні і дворядні зіркоподібні, Н-образні, дворядні з паралельними КОЛІНВАЛИ, "подвійний віяло", ромбовидні, трьохпроменеві і деякі інші.

    бензинові

    бензинові карбюраторні

    Робочий цикл чотиритактних двигунів внутрішнього згоряння займає два повних обороту кривошипа, що складається з чотирьох окремих тактів:

    1. впуску,
    2. стиснення заряду,
    3. робочого ходу і
    4. випуску (вихлопу).

    Зміна робочих тактів забезпечується спеціальним газорозподільним механізмом, найчастіше він представлений одним або двома розподільними валами, системою штовхачів і клапанами, безпосередньо забезпечують зміну фази. Деякі двигуни внутрішнього згоряння використовували для цієї мети золотникові гільзи (Рікардо), що мають впускні і / або вихлопні вікна. Повідомлення порожнини циліндра з колекторами в цьому випадку забезпечувалося радіальним і обертальним рухами золотникової гільзи, вікнами відкриває потрібний канал. Зважаючи на особливості газодинаміки - інерційності газів, часу виникнення газового вітру такти впуску, робочого ходу і випуску в реальному чотиритактний циклі перекриваються, це називається перекриттям фаз газорозподілу. Чим вище робочі обороти двигуна, тим більше перекриття фаз і чим воно більше, тим менше крутний момент двигуна внутрішнього згоряння на низьких оборотах. Тому в сучасних двигунахвнутрішнього згоряння все ширше використовуються пристрої, що дозволяють змінювати фази газорозподілу в процесі роботи. Особливо придатні для цієї мети двигуни з електромагнітним керуванням клапанами (BMW, Mazda). Є також двигуни зі змінним ступенем стиснення (СААБ), що володіють більшою гнучкістю характеристики.

    Двотактні двигуни мають безліч варіантів компоновки і велика різноманітність конструктивних систем. Основний принцип будь-якого двотактного двигуна - виконання поршнем функцій елемента газорозподілу. Робочий цикл складається, строго кажучи, з трьох тактів: робочого ходу, що триває від верхньої мертвої точки ( ВМТ) До 20-30 градусів до нижньої мертвої точки ( НМТ), Продувки, фактично поєднує впуск і вихлоп, і стиснення, що триває від 20-30 градусів після НМТ до ВМТ. Продування, з точки зору газодинаміки, слабка ланка двотактного циклу. З одного боку, неможливо забезпечити повне розділення свіжого заряду і вихлопних газів, тому неминучі або втрати свіжої суміші, буквально вилітає у вихлопну трубу (якщо двигун внутрішнього згоряння - дизель, мова йде про втрату повітря), з іншого боку, робочий хід триває не половину обороту, а менше, що само по собі знижує ККД. У той же час тривалість надзвичайно важливого процесу газообміну, в чотиритактний двигун займає половину робочого циклу, не може бути збільшена. Двотактні двигуни можуть взагалі не мати системи газорозподілу. Однак, якщо мова не йде про спрощених дешевих двигунах, двотактний двигун складніше і дорожче за рахунок обов'язкового застосування повітродувки або системи наддуву, підвищена теплонапряженности ЦПГ вимагає більш дорогих матеріалів для поршнів, кілець, втулок циліндрів. Виконання поршнем функцій елемента газорозподілу зобов'язує мати його висоту не менше хід поршня + висота продувних вікон, що некритично в мопеді, але істотно ускладнює поршень вже при відносно невеликих потужностях. Коли ж потужність вимірюється сотнями кінських сил, збільшення маси поршня стає дуже серйозним фактором. Введення розподільних гільз з вертикальним ходом в двигунах Рікардо було спробою зробити можливим зменшення габаритів і маси поршня. Система виявилася складною і дорогою у виконанні, крім авіації, такі двигуни ніде більше не використовувалися. Вихлопні клапани (при прямоточною клапанної продувке) мають вдвічі більшу теплонапряженности в порівнянні з вихлопними клапанами чотиритактних двигунів і гірші умови для відводу тепла, а їх сідла мають більш тривалий прямий контакт з вихлопними газами.

    Найпростішою з точки зору порядку роботи і найскладнішою з точки зору конструкції є система Корейво, представлена ​​в СРСР і в Росії, в основному, тепловозних дизелів серій Д100 і танковими дизелями ХЗТМ. Такий двигун являє собою симетричну двохвальною систему з розбіжними поршнями, кожен з яких пов'язаний зі своїм коленвалом. Таким чином, цей двигун має два коленвала, механічно синхронізовані; той, який пов'язаний з вихлопними поршнями, випереджає впускний на 20-30 градусів. За рахунок цього випередження покращується якість продувки, яка в цьому випадку є прямоточною, і поліпшується наповнення циліндра, так як в кінці продувки вихлопні вікна вже закриті. У 30х - 40х роках ХХ століття були запропоновані схеми з парами розходяться поршнів - ромбовидна, трикутна; існували авіаційні дизелі з трьома звездообразно розбіжними поршнями, з яких два були впускними і один - вихлопним. У 20-х роках Юнкерс запропонував одновальну систему з довгими шатунами, пов'язаними з пальцями верхніх поршнів спеціальними коромислами; верхній поршень передавав зусилля на колінвал парою довгих шатунів, і на один циліндр доводилося три коліна вала. На коромислах стояли також квадратні поршні продувних порожнин. Двотактні двигуни з розбіжними поршнями будь-якої системи мають, в основному, два недоліки: по-перше, вони досить складні і габаритні, по-друге, вихлопні поршні і гільзи в зоні вихлопних вікон мають значну температурну напруженість і схильність до перегріву. Кільця вихлопних поршнів також є термічно навантаженими, схильні до закоксовування і втрати пружності. Ці особливості роблять конструктивне виконання таких двигунів нетривіальним завданням.

    Двигуни з прямоточною клапанної продувкою оснащені розподільним валом і вихлопними клапанами. Це значно знижує вимоги до матеріалів і виконання ЦПГ. Впуск здійснюється через вікна в гільзі циліндра, що відкриваються поршнем. Саме так компонується більшість сучасних двотактних дизелів. Зона вікон і гільза в нижній частині в багатьох випадках охолоджуються наддувочного повітря.

    У випадках, коли одним з основних вимог до двигуна є його здешевлення, використовуються різні видикривошипно-камерної контурної віконно-віконної продувки - петлевая, зворотно-петлевая (дефлекторная) в різноманітних модифікаціях. Для поліпшення параметрів двигуна застосовуються різноманітні конструктивні прийоми - змінна довжина впускного і випускного каналів, може варіюватися кількість і розташування перепускних каналів, використовуються золотники, що обертаються відсікачі газів, гільзи і шторки, що змінюють висоту вікон (і, відповідно, моменти початку впуску і вихлопу). Більшість таких двигунів має повітряне пасивне охолодження. Їх недоліки - відносно невисоку якість газообміну і втрати горючої суміші під час продування, при наявності декількох циліндрів секції кривошипних камер доводиться розділяти і герметизувати, ускладнюється і дорожчає конструкція клонували.

    Додаткові агрегати, що вимагаються для ДВС

    Недоліком двигуна внутрішнього згоряння є те, що він розвиває максимальну потужність тільки у вузькому діапазоні оборотів. Тому невід'ємним атрибутом двигуна внутрішнього згоряння є /mirtesen.ru/market/avto/zapchasti/transmissiya "id =" marketCategoryTag "class =" categoryTag "target =" _ blank "> Трансмісія" href = "http://ru.wikipedia.org / wiki /% D0% A2% D1% 80% D0% B0% D0% BD% D1% 81% D0% BC% D0% B8% D1% 81% D1% 81% D0% B8% D1% 8F "> трансмісія . Лише в окремих випадках (наприклад, в літаках) можна обійтися без складної трансмісії. Поступово завойовує світ ідея гібридного автомобіля, в якому мотор завжди працює в оптимальному режимі.

    Крім того, двигуну внутрішнього згоряння необхідні система харчування (для подачі палива і повітря - приготування паливо-повітряної суміші), вихлопна система (для відводу вихлопних газів), також не обійтися без системи мастила (призначена для зменшення сил тертя в механізмах двигуна, захисту деталей двигуна від корозії, а також спільно з системою охолодження для підтримки оптимального теплового режиму), системи охолодження (для підтримки оптимального теплового режиму двигуна), система запуску (застосовуються способи запуску: електростартерний, за допомогою допоміжного пускового двигуна, Пневматичний, за допомогою м'язової сили людини), система запалювання (для запалав паливо-повітряної суміші, застосовується у двигунів з примусовим займанням).

    ЦИКЛИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

    Ідея використання в якості робочого тіла продуктів згоряння органічного палива належить Саді Карно. Він обгрунтував принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) з попереднім стисканням повітря в 1824 р, але за обмеженим технічним можливостям створення такої машини реалізувати не можна було.

    У 1895 р в Німеччині інженер Р. Дизель побудував двигун з внутрішнім змішуванням повітря і рідкого палива. У такому двигуні стискається тільки повітря, а потім в нього через форсунку впорскується паливо. Завдяки роздільному стиску повітря в циліндрі такого двигуна виходило великий тиск і температура, а впорскується туди паливо самозаймається. Такі двигуни отримали назву дизельних в честь їх винахідника.

    Основними перевагами поршневих ДВС в порівнянні з ПТУ є їх компактність і високий температурний рівень підведення теплоти до робочого тіла. Компактність ДВС обумовлена ​​поєднанням в циліндрі двигуна трьох елементів теплової машини: гарячого джерела теплоти, циліндрів стиснення і розширення. Оскільки цикл ДВС розімкнутий, то в якості холодного джерела теплоти в ньому використовується зовнішнє середовище (вихлоп відпрацьованих газів). Малі розміри циліндра ДВС практично знімають обмеження на максимальну температуру робочого тіла. Циліндр ДВС має примусове охолодження, а процес горіння швидкоплинний, тому метал циліндра має допустиму температуру. ККД таких двигунів високий.

    Основним недоліком поршневих ДВС є технічне обмеження їх потужності, що знаходиться в прямій залежності від обсягу циліндра.

    Принцип роботи поршневих ДВС

    Розглянемо принцип роботи поршневих ДВС на прикладі чотиритактного карбюраторного двигуна (двигун Отто). Схема циліндра з поршнем такого двигуна і діаграма зміни тиску газу в його циліндрі в залежності від положення поршня (індикаторна діаграма) показані на рис. 11.1.

    Перший такт двигуна характеризується відкриттям впускного клапана 1к і за рахунок переміщення поршня від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ) втягуванням повітря або паливо-повітряної суміші в циліндр. На індикаторній діаграмі це лінія 0-1, що йде від тиску довкілляР ос в область розрядження, що створюється поршнем при його русі вправо.

    Другий такт двигуна починається при закритих клапанах рухом поршня від НМТ до ВМТ. При цьому відбувається стиснення робочого тіла зі збільшенням його тиску і температури (лінія 1-2). Перед тим як поршень досягне ВМТ, відбувається займання палива, в результаті чого відбувається подальше збільшення тиску і температури. Сам процес згоряння палива (лінія 2-3) завершується вже при проходженні поршнем ВМТ. Другий такт двигуна вважається завершеним при досягненні поршнем ВМТ.

    Третій такт характеризується переміщенням поршня від ВМТ до НМТ, (робочий такт). Тільки в цьому такті виходить корисна механіч.работа. Повне згоряння палива завершується в (3) і на (3-4) відбувається розширення продуктів згоряння.

    Четвертий такт двигуна починається при досягненні поршнем НМТ і відкритті вихлопного клапана 2к. При цьому тиск газів в циліндрі різко падає і при русі поршня в сторону ВМТ гази виштовхуються з циліндра. При виштовхуванні газів в циліндрі тиск більше атмосферного, тому що газам необхідно подолати опір вихлопного клапана, вихлопної труби, Глушника і т.п. в вихлопному тракті двигуна. Досягнувши поршнем положення ВМТ, клапан 2к закривається і цикл ДВС починається заново з відкриття клапана 1к і т.д


    Площа, обмежена індикаторної діаграмою 0-1-2-3-4-0, відповідає двом оборотам колінчастого вала двигуна (повних 4 такту двигуна). Для розрахунку потужності ДВС застосовується середнє індикаторне тиск двигуна Р i. Це тиск відповідає площі 0-1-2-3-4-0 (рис.11.1), поділеній на хід поршня в циліндрі (відстань між ВМТ і НМТ). Використовуючи индикаторное тиск, роботу ДВСза два оберти колінчастого вала можна представити у вигляді добутку Р i на хід поршня L (площа заштрихованого прямокутника на рис.11.1) і на площу перерізу циліндра f. Індикаторна потужність ДВС в розрахунку на один циліндр в кіловатах визначається виразом

    , (11.1)

    де Р i - середнє індикаторне тиск, кПа; f - площа поперечного перерізу циліндра, м 2; L - хід поршня, м; n - число оборотів колінчастого валу, с -1; V = fL - корисний об'єм циліндра (між ВМТ і НМТ ), м 3.

    Внутрішнього згоряння. Його пристрій досить складне, навіть для професіонала.

    При покупці автомобіля в першу чергу дивляться на характеристики двигуна. Ця стаття, допоможе розібратися Вам в основних параметрах двигуна.

    Кількість циліндрів. Сучасні автомобілі мають до 16 циліндрів. Це дуже багато. Але справа в тому, що поршневі двигуни внутрішнього згоряння з однаковою потужністю і об'ємом, можуть істотно відрізнятися за іншими параметрами.

    Як розташовані циліндри?

    Циліндри можуть розташовуватися двома типами: рядним (послідовним) і V-образним (дворядним).

    При великому куті розвалу істотно зменшуються динамічні характеристики, але при цьому підвищується інерційність. При малому куті розвалу знижується інерційність і вага, але це призводить до швидкого перегріву.

    опозитний двигун

    Є ще й радикальний опозитний двигун має кут розвалу в 180 градусів. У такому двигуні всі недоліки і переваги максимальні.

    Розглянемо переваги такого мотора. Цей двигун легко вбудовується в самий низ моторного відсіку, що дозволяє знизити центр мас і внаслідок чого, підвищується стійкість автомобіля і його керованість, що не менш важливо.

    На оппозітниє поршневі двигуни внутрішнього згоряння вібраційне навантаження знижена і вони повністю збалансовані. Також вони невеликої довжини, ніж однорядні двигуни. Є й недоліки - сама ширина моторного відсіку автомобіля збільшена. Опозитний двигун встановлюється на автомобілі марок Porsche, а також Subaru.

    Різновиди двигуна - W-подібний

    На даний момент, W-подібний двигун, який випускає Фольксваген, включає в себе дві поршневі групивід двигунів типу VR, які знаходяться під кутом 72 ° і за рахунок цього, і виходить двигун з чотирма рядами циліндрів.

    Зараз роблять W-подібні двигуни з 16, 12 і 8 циліндрами.

    двигун W8- чотирирядний по два циліндра в кожному ряду. У ньому є два балансирних вала, які обертаються швидше колінчастого в два рази, вони потрібні, щоб врівноважити сили інерції. Цей мотор має місце бути на автомобілі - VW Passat W8.

    двигун W12 - чотирирядний, але вже по три циліндри в кожному ряду. Він зустрічається на автомобілях VW Phaeton W12 і Audi A8 W12.

    двигун W16 - чотирирядний, по чотири циліндри в кожному ряду, він стоїть тільки на автомобілі Bugatti Veyron 16.4. Цей двигун потужністю 1000 к.с. і в ньому сильний вплив інерційних моментів негативно діючих на шатуни, зменшили за рахунок збільшення кута розвалу до 90 °, і при цьому знизили швидкість поршня до 17,2 м / с. Правда розміри двигуна від цього збільшилися: його довжина дорівнює 710, ширина 767 мм.

    І найбільш рідкісний тип двигуна - це рядно-V-подібний (Також званий - VR, дивіться на самому верхньому малюнку праворуч), який представляє з себе поєднання двох різновидів. У двигунів VR маленький розвалміж рядами циліндрів, всього 15 градусів, що і дозволило використовувати на них одну загальну головку.

    Об'єм двигуна. Від цього параметра поршневого двигунавнутрішнього згоряння залежать практично всі інші характеристики двигуна. У разі збільшення обсягу двигуна, відбувається збільшення потужності, і як наслідок збільшується витрата палива

    Матеріал двигуна. Двигуни, зазвичай робляться з трьох видів матеріалу: алюмінію або його сплавів, чавуну та інших феросплавів, або магнієвих сплавів. Від цих параметрів на практиці залежить лише ресурси і шум двигуна.

    Найбільш важливі параметри двигуна

    Обертаючий момент. Він створюється двигуном при максимальному тяговому зусилля. Одиниця виміру - Ньют-метри (нм). Крутний момент на пряму впливає на "еластичність двигуна" (здатність до розгону на низьких оборотах).

    Потужність.Одиниця виміру - кінські сили(К.с.) Від неї залежить час розгону і швидкість авто.
    Максимальні обороти колінчастого валу (об / хв). Вказують на число оборотів яке здатний витримувати двигун без втрати міцності ресурсів. Велика кількість оборотів вказує різкість і динамічність в характері автомобіля.

    Важливі в автомобілі і витратні характеристики

    Олія.Його витрата вимірюється в літра на тисячу кілометрів. Марка масла позначається xxWxx, де перше число означає густоту, друге в'язкість. Масла з високою густотою і в'язкістю істотно підвищують надійність і міцність двигуна, а масла з невеликою густотою дають хороші динамічні характеристики.

    Паливо.Його витрата вимірюється в літрах на сто кілометрів. В сучасних автомобіляхможна використовувати практично будь-яку марку бензину, але варто пам'ятати, що низьке октанове число впливає на падіння міцності і потужності, а октанове число вище норми знижує ресурс, але підвищує потужність.

    В даний час на ТЗ застосовуються в основному чотиритактні поршневі ДВС.

    Одноциліндровий двигун (рис. А) містить наступні основні деталі: циліндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, колінчастий вал 1 і маховик 14. Одним своїм кінцем шатун з'єднується шарнірно з поршнем за допомогою поршневого пальця 5, а іншим кінцем - також шарнірно з кривошипом колінчастого вала.

    При обертанні колінчастого вала відбувається зворотно-поступальний рух поршня в циліндрі. За один оборот колінчастого вала поршень здійснює по одному ходу вниз і вгору. Зміна напрямку руху поршня відбувається в мертвих точках - верхньої (ВМТ) і нижньої (НМТ).

    Верхньою мертвою точкою називається найвіддаленіше від колінчастого вала положення поршня (крайнє верхнє при вертикальному розташуванні двигуна), а нижній мертвою точкою - найближче до колінчастого валу положення поршня (крайнє нижнє при вертикальному розташуванні двигуна).

    Мал. Принципова схема(А) одноциліндрового чотиритактного поршневого двигуна внутрішнього згоряння і його схема (б) для визначення параметрів:
    1 - колінчастий вал; 2 - картер; 3 - шатун; 4 - циліндр; 5 - поршневий палець; 6 - поршень; 7 - впускний клапан; 8 - впускний трубопровід; 9 - розподільний вал; 10 - свічка запалювання (бензинові та газові двигуни) або паливна форсунка (дизелі); 11 - випускний трубопровід; 12 - випускний, клапан; 13 - поршневі кільця; 14 - маховик; D - діаметр циліндра; r - радіус кривошипа; S - хід поршня

    Відстань S (рис. Б) між ВМТ і НМТ називається ходом поршня. Його розраховують за формулою:

    S = 2r,
    де r - радіус кривошипа колінчастого вала.

    Ходом поршня і діаметром циліндра D визначаються основні розміри двигуна. У транспортних двигунах відношення S / D становить 0,7 -1,5. При S / D< 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D >1 - длінноходниє.

    При переміщенні поршня вниз з ВМТ в НМТ обсяг над ним змінюється від мінімального до максимального. Мінімальний обсяг циліндра над поршнем при його положенні в ВМТ називається камерою згоряння. Обсяг циліндра, що звільняється поршнем при його переміщенні з ВМТ в НМТ, називається робочим. Сума робочих обсягів усіх циліндрів являє собою робочий об'єм двигуна. Виражений в літрах, він називається літражем двигуна. Повний обсяг циліндра визначається сумою його робочого об'єму та об'єму камери згоряння. Цей обсяг укладено над поршнем при його положенні в НМТ.

    Важливою характеристикою двигуна є ступінь стиснення, що визначається відношенням повного об'єму циліндра до об'єму камери згоряння. Ступінь стиснення показує, у скільки разів стискається надійшов в циліндр заряд (повітря або паливо-повітряна суміш) при переміщенні поршня з НМТ у ВМТ. У бензинових двигунів ступінь стиснення складає 6 - 14, а у дизелів - 14 - 24. Прийнята ступінь стиснення багато в чому визначає потужність двигуна і його економічність, а також істотно впливає на токсичність відпрацьованих газів.

    Робота поршневого ДВС заснована на використанні тиску на поршень газів, що утворюються при згорянні в циліндрі сумішей палива і повітря. У бензинових і газових двигунахсуміш запалюється від свічки запалювання 10, а в дизелях - внаслідок стиснення. Розрізняють поняття горючої і робочої сумішей. Горюча суміш складається з палива та чистого повітря, а робоча включає в себе також залишилися в циліндрі відпрацьовані гази.

    Сукупність послідовних процесів, що періодично повторюються в кожному циліндрі двигуна і забезпечують його безперервну роботу, називається робочим циклом. Робочий цикл чотиритактного двигуна складається з чотирьох процесів, кожен з яких відбувається за один хід поршня (такт), або півоберта колінчастого вала. Повний робочий цикл здійснюється за два оберти колінчастого вала. Слід зазначити, що в загальному випадку поняття «робочий процес» і «такт» не є синонімами, хоча для чотиритактного поршневого двигуна вони практично збігаються.

    Розглянемо робочий цикл двигуна внутрішнього згоряння.

    Перший такт робочого циклу - впуск. Поршень переміщається з ВМТ в НМТ, при цьому впускний клапан 7 відкритий, а випускний 12 закритий, і горюча суміш під дією розрідження надходить в циліндр. Коли поршень досягає НМТ, впускний клапан закривається, і циліндр виявляється заповненим робочої сумішшю. У більшості бензинових двигунів горюча суміш формується поза циліндра (в карбюраторі або впускному трубопроводі 8).

    Наступний такт - стиснення. Поршень переміщається назад з НМТ у ВМТ, стискаючи робочу суміш. Це необхідно для її більш швидкого і повного згоряння. Впускний і випускний клапани закриті. Ступінь стиснення робочої сумішіпід час такту стиснення залежить від властивостей застосовуваного бензину, і в першу чергу від його антидетонаційній стійкості, яка характеризується октановим числом (у бензинів воно становить 76 - 98). Чим вище октанове число, тим більше антидетонаційна стійкість палива. При надмірно високому ступені стиснення або низької антидетонаційній стійкості бензину може статися детонационное (в результаті стиснення) займання суміші і порушитися нормальна робота двигуна. До кінця такту стиснення тиск в циліндрі зростає до 0,8 ... 1,2 МПа, а температура досягає 450 ... 500 ° С.

    За тактом стиснення слід розширення (робочий хід), коли поршень з ВМТ переміщається назад вниз. На початку цього такту, навіть з деяким випередженням, горюча суміш запалюється від свічки запалювання 10. При цьому впускний і випускний клапани закриті. Суміш згорає дуже швидко з виділенням великої кількості теплоти. Тиск в циліндрі різко зростає, і поршень переміщається до ЦМТ, приводячи в обертання через шатун 3 колінчастий вал 1. В момент згоряння суміші температура в циліндрі підвищується до 1800, ... 2 000 ° С, а тиск - до 2,5 ... 3,0 МПа .

    Останній такт робочого циклу - випуск. Протягом цього такту впускний клапан закритий, а випускний відкритий. Поршень, переміщаючись вгору від НМТ до ВМТ, виштовхує залишилися в циліндрі після згоряння і розширення відпрацьовані гази через відкритий випускний клапан в випускний трубопровід 11. Потім робочий цикл повторюється.

    Робочий цикл дизеля має деякі відмінності від розглянутого циклу бензинового двигуна. При такті впуску по трубопроводу 8 в циліндр надходить не горюча суміш, а чисте повітря, який під час наступного такту стискається. В кінці такту стиснення, коли поршень підходить до ВМТ, в циліндр через спеціальний пристрій- форсунку, укручену в верхню частину головки циліндра, під великим тиском впорскується дизельне паливо в мелкораспиленном стані. Стикаючись з повітрям, що має внаслідок стиснення високу температуру, частинки палива швидко згорають. Виділяється велика кількість теплоти, в результаті чого температура в циліндрі підвищується до 1700 ... 2000 ° С, а тиск - до 7 ... 8 МПа. Під дією тиску газів поршень переміщується вниз - відбувається робочий хід. Такти випуску у дизеля і бензинового двигуна аналогічні.

    Для того щоб робочий цикл в двигуні відбувався правильно, необхідно узгодити моменти відкриття і закриття його клапанів з частотою обертання колінчастого вала. Це здійснюється наступним чином. Колінчастий вал за допомогою зубчастої, ланцюгової або пасової передачі приводить в обертання ще один вал двигуна - розподільний 9, який повинен обертатися вдвічі повільніше колінчастого. на розподільному валує профільовані виступи (кулачки), які безпосередньо чи через проміжні деталі (штовхачі, штанги, коромисла) переміщують впускні і випускні клапани. За два оберти колінчастого вала кожен клапан, впускний і випускний, відкривається і закривається тільки один раз: під час такту впуску та випуску відповідно.

    Ущільнення між поршнем і циліндром, а також видалення зі стінок циліндра зайвого масла забезпечують спеціальні поршневі кільця 13.

    Колінчастий вал одноциліндрового двигуна обертається нерівномірно: з прискоренням під час робочого ходу і уповільненням при інших, допоміжних тактах (впуск, стиснення й випуск). Для підвищення рівномірності обертання колінчастого вала на його кінці встановлюють масивний диск - маховик 14, який під час робочого ходу накопичує кінетичну енергію, а протягом решти тактів віддає її, продовжуючи обертатися за інерцією.

    Однак незважаючи на наявність маховика, колінчастий вал одноциліндрового двигуна обертається недостатньо рівномірно. У моменти займання робочої суміші картера двигуна передаються значні поштовхи, що швидко виводить з ладу сам двигун і деталі його кріплення. Тому одноциліндрові двигуни застосовуються рідко, в основному на двоколісних ТЗ. На інших машинах встановлюють багатоциліндрові двигуни, які забезпечують більш рівномірне обертання колінчастого вала за рахунок того, що робочий хід поршня в різних циліндрах відбувається неодночасно. Найбільш широкого поширення набули чотирьох-, шести-, восьми- і дванадцятициліндровим двигуни, хоча на деяких ТС використовуються також трьох- і п'ятициліндрові.

    Багатоциліндрові двигуни зазвичай мають рядне або V-подібне розташування циліндрів. У першому випадку циліндри встановлені в одну лінію, а в другому - в два ряди під деяким кутом один до одного. Цей кут для різних конструкцій становить 60 ... 120 °; у чотири- і шестициліндрових двигунів він зазвичай дорівнює 90 °. У порівнянні з рядними V-подібні двигуни такої ж потужності мають меншу довжину, висоту і масу. Нумерація циліндрів проводиться послідовно: спочатку з передньої частини (шкарпетки) нумеруються циліндри правої (по ходу руху машини) половини двигуна, а потім, також починаючи з передньої частини, лівої половини.

    Рівномірна робота багатоциліндрового двигуна досягається в тому випадку, якщо чергування робочого ходу в його циліндрах відбувається через рівні кути повороту колінчастого вала. Кутовий інтервал, через який будуть рівномірно повторюватися однойменні такти в різних циліндрах, можна визначити діленням 720 ° (кут повороту колінчастого вала, при якому відбувається повний робочий цикл) на число циліндрів двигуна. Наприклад, у восьмицилиндрового двигуна кутовий інтервал дорівнює 90 °.

    Послідовність чергування однойменних тактів в різних циліндрах називається порядком роботи двигуна. Порядок роботи повинен бути таким, щоб у найбільшою мірою зменшити негативний вплив на роботу двигуна інерційних сил і моментів, що виникають через те, що поршні рухаються в циліндрах нерівномірно і їх прискорення змінюється за величиною і напрямком. У чотирициліндрових рядних і V-образних двигунівпорядок роботи може бути такою: 1 - 2 - 4 - 3 або 1 - 3 - 4-2, у шестициліндрових рядних і V-образних двигунів - відповідно 1 - 5-3 - 6 - 2-4 і 1 - 4 - 2 - 5 - 3 - 6, а у восьмициліндрових V-подібних двигунів - 1 - 5 - 4 - 2 6 - 3 - 7 - 8.

    З метою більш ефективного використанняробочого об'єму циліндрів і підвищення їх потужності в деяких конструкціях поршневих двигунів здійснюють наддув повітря з відповідним збільшенням кількості палива, що впорскується. Для забезпечення наддуву, т. Е. Створення на вході в циліндр надлишкового тиску, найчастіше застосовують газотурбінні компресори (турбокомпресори). В цьому випадку для нагнітання повітря використовується енергія відпрацьованих газів, які, виходячи з великою швидкістю з циліндрів, обертають турбінне колесо турбокомпресора, встановлене на одному валу з насосним колесом. Крім турбокомпресорів застосовують також механічні нагнітачі, робочі органи яких (насосні колеса) приводяться в обертання від колінчастого вала двигуна за допомогою механічної передачі.

    Для кращого наповнення циліндрів горючою сумішшю ( бензинові двигуни) Або чистим повітрям (дизелі), а також більш повної їх очищення від відпрацьованих газів клапани повинні відкриватися і закриватися не в моменти перебування поршнів в ВМТ і НМТ, а з деяким випередженням або запізненням. Моменти відкриття і закриття клапанів, виражені в градусах через кути повороту колінчастого вала відносно ВМТ і НМТ, називаються фазами газорозподілу і можуть бути представлені у вигляді кругової діаграми.

    Впускний клапан починає відкриватися під час такту випуску попереднього робочого циклу, коли поршень ще не досяг ВМТ. У цей час відпрацьовані гази виходять через випускний трубопровід я внаслідок інерції потоку захоплюють за собою з відкрився впускного трубопроводу частки свіжого заряду, які починають наповнювати циліндр навіть при відсутності розрідження в ньому. До моменту приходу поршня в ВМТ і початку його руху вниз впускний клапан вже відкритий на значну величину, і циліндр швидко наповнюється свіжим зарядом. Кут а випередження відкриття впускного клапана у різних двигунів коливається в межах 9 ... 33 °. Впускний клапан закриється тоді, коли поршень пройде НМТ і почне рухатися вгору на такті стиснення. До цього часу свіжий заряд заповнює циліндр за інерцією. Кут р запізнювання закриття впускного клапана залежить від моделі двигуна і становить 40 ... 85 °.

    Мал. Кругова діаграма фаз газорозподілу чотиритактного двигуна:
    а - кут випередження відкриття впускного клапана; р - кут запізнювання закриття впускного клапана; у - кут випередження відкриття випускного клапана; б - кут запізнювання закриття випускного клапана

    Випускний клапан відкривається під час робочого ходу, коли поршень ще не досяг НМТ. При цьому робота поршня, необхідна для витіснення відпрацьованих газів, зменшується, компенсуючи деяку втрату роботи газів через раннього відкриття випускного клапана. Кут Y випередження відкриття випускного клапана становить 40 ... 70 °. Випускний клапан закривається дещо пізніше приходу поршня в ВМТ, т. Е. Під час такту впуску наступного робочого циклу. Коли поршень почне опускатися, решта гази по інерції ще будуть виходити з циліндра. Кут 5 запізнювання закриття випускного клапана становить 9 ... 50 °.

    Кут а + 5, при якому впускний і випускний клапани одночасно відкриті, називається кутом перекриття клапанів. Внаслідок того що цей кут і зазори між клапанами і їх сідлами в даному випадку малі, витоку заряду з циліндра практично немає. Крім того, наповнення циліндра свіжим зарядом поліпшується за рахунок великої швидкості потоку відпрацьованих газів через випускний клапан.

    Кути випередження і запізнювання, а отже, і тривалість відкриття клапанів повинні бути тим більше, чим вище частота обертання колінчастого вала двигуна. Це пов'язано з тим, що у швидкохідних двигунів всі процеси газообміну відбуваються швидше, а інерція заряду і відпрацьованих газів не змінюється.

    Мал. Принципова схема газотурбінного двигуна:
    1 - компресор; 2 - камера згоряння; 3 - турбіна компресора; 4 - силова турбіна; М - крутний момент, що передається до трансмісії машини

    Принцип дії газотурбінного двигуна (ГТД) пояснює малюнок. Повітря з атмосфери засмоктується компресором 2, стискається в ньому і подається в камеру згоряння 2, куди також подається паливо через форсунку. У цій камері відбувається процес горіння палива при постійному тиску. Газоподібні продукти згоряння надходять р турбіну компресора 3, де частина їх енергії витрачається на приведення в дію компресора, що нагнітає повітря. Частина енергії газів перетворюється в механічну роботу обертання вільної або силовий турбіни 4, яка через редуктор пов'язана з трансмісією машини. При цьому в турбіні компресора і вільної турбіни відбувається розширення газу зі зменшенням тиску від максимального значення (в камері згоряння) до атмосферного.

    Робочі частини ГТД на відміну від аналогічних елементів поршневого двигуна постійно піддаються впливу високої температури. Тому для її зниження в камеру згоряння ВМД необхідно подавати значно більше повітря, ніж це потрібно для процесу згоряння.

    Тема: Двигуни внутрішнього згоряння.

    План лекції:

    2. Класифікація ДВС.

    3. Загальний пристрій ДВС.

    4. Основні поняття і визначення.

    5. Палива ДВС.

    1. Визначення двигунів внутрішнього згоряння.

    Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) називають поршневий теплової двигун, в якому процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її в механічно роботу відбувається безпосередньо в його циліндрі.

    2. Класифікація ДВС

    За способом здійснення робочого циклу ДВСпідрозділяються на дві великі категорії:

    1) чотиритактні ДВС, у яких робочий цикл в кожному циліндрі відбувається за чотири ходи поршня або два обороти колінчастого валу;

    2) двотактні ДВС, у яких робочий цикл в кожному циліндрі відбувається за два ходи поршня або один оборот колінчастого валу.

    За способом сумішоутвореннячотиритактні і двотактні ДВС розрізняють:

    1) ДВС з зовнішнім сумішоутворенням, в яких горюча суміш утворюється за межами циліндра (до них відносяться карбюраторні і газові двигуни);

    2) ДВС з внутрішнім сумішоутворенням, в яких горюча суміш утворюється безпосередньо всередині циліндра (до них відносяться дизелі і двигуни з уприскуванням легкого палива в циліндр).

    За способом займаннягорючої суміші розрізняють:

    1) ДВС з займанням горючої суміші від електричної іскри (карбюраторні, газові та з уприскуванням легкого палива);

    2) ДВС з займанням палива в процесі сумішоутворення від високої температури стисненого повітря (дизелі).

    По виду застосовуваного паливарозрізняють:

    1) ДВС, що працюють на легкому рідкому паливі (бензині і гасі);

    2) ДВС, що працюють на важкому рідкому паливі (газойлі і дизельному паливі);

    3) ДВС, що працюють на газовому паливі(Стиснений та скраплений газ; газ, що надходить зі спеціальних газогенераторів, в яких при нестачі кисню спалюється тверде паливо - дрова чи вугілля).

    За способом охолодженнярозрізняють:

    1) ДВС з рідинним охолодженням;

    2) ДВС з повітряним охолодженням.

    За кількістю і розташуванням циліндріврозрізняють:

    1) одне і багатоциліндрові ДВС;

    2) однорядні (вертикальні і горизонтальні);

    3) дворядні (-образні, з протилежними циліндрами).

    По призначеннюрозрізняють:

    1) транспортні ДВС, що встановлюються на різних транспортних засобах(Автомобілі, трактори, будівельні машинита ін. об'єкти);

    2) стаціонарні;

    3) спеціальні ДВС, які відіграють як правило допоміжну роль.

    3. Загальний пристрій ДВС

    Широко використовуються в сучасній техніціДВС складаються з двох основних механізмів: кривошипно-шатунного і газорозподільного; і п'яти систем: системи харчування, охолодження, змащення, пуску і запалювання (в карбюраторних, газових і двигунах з уприскуванням легкого палива).

    Кривошипно-шатунний механізмпризначений для сприйняття тиску газів і перетворення прямолінійного руху поршня в обертальний рух колінчастого вала.

    механізм газорозподілупризначений для заповнення циліндра горючою сумішшю або повітрям і для очищення циліндра від продуктів згоряння.

    Механізм газорозподілу чотиритактних двигунів складається з впускного і випускного клапанів, що приводяться в дію розподільчим (кулачковим валом, який через блок шестерень приводиться в обертання від колінчастого вала. Швидкість обертання розподільного вала вдвічі менше швидкості обертання колінчастого вала.

    механізм газорозподілу двотактних двигунівяк правило виконаний у вигляді двох поперечних щілин (отворів) в циліндрі: випускний і впускний, що відкриваються послідовно в кінці робочого ходу поршня.

    Система харчуванняпризначена для приготування і подачі в запоршневое простір горючої суміші потрібної якості (карбюраторні і газові двигуни) або порцій розпорошеного палива в певний момент (дизелі).

    В карбюраторних двигунахпаливо за допомогою насоса або самопливом надходить в карбюратор, де змішується з повітрям в певній пропорції і.через впускний клапан або отвір надходить в циліндр.

    У газових двигунах повітря і горючий газ змішуються в спеціальних змішувачах.

    В дизельних двигунахі ДВС з уприскуванням легкого палива подача палива в циліндр здійснюється в певний момент в основному за рахунок плунжерного насоса.

    Система охолодженняпризначена для примусового відведення тепла від нагрітих деталей: блока циліндрів, головки блоку циліндрів і ін. Залежно від виду речовини відвідного тепло, розрізняють рідинні і повітряні системи охолодження.

    Рідинна система охолодження складається з каналів оточуючих циліндри (рідинна сорочка), рідинного насоса, радіатора, вентилятора і ряду допоміжних елементів. Охолоджена в радіаторі рідина за допомогою насоса подається в рідинну сорочку, охолоджує блок циліндрів, нагрівається і знову потрапляє в радіатор. У радіаторі рідина охолоджується за рахунок набігаючого потоку повітря і потоку, створюваного вентилятором.

    Повітряна система охолодження являє собою ребра циліндрів двигуна, що обдувається набігаючим або створюваним вентилятором потоком повітря.

    Система змазкислужить для безперервного підведення мастила до вузлів тертя.

    система пускупризначена для швидкого і надійного пуску двигуна і являє собою як правило допоміжний двигун: електричний (стартер) або малопотужний бензиновий).

    Система запалюваннязастосовується в карбюраторних двигунах і служить для примусового займання горючої суміші за допомогою електричної іскри, створюваної в свічці запалювання, ввернутой в головку циліндра двигуна.

    4. Основні поняття і визначення

    Верхньої мертвої точкою- ВМТ, називають положення поршня, найбільш віддалене від осі колінчастого вала.

    Нижньої мертвої точкою- НМТ, називають положення поршня, найменш віддалене від осі колінчастого вала.

    У мертвих точках швидкість поршня дорівнює, тому що в них змінюється напрямок руху поршня.

    Переміщення поршня від ВМТ до НМТ або навпаки називається ходом поршняі позначається.

    Обсяг порожнини циліндра при знаходженні поршня в НМТ називають повним обсягомциліндра і позначають.

    Ступенем стиснення двигуна називають відношення повного обсягу циліндра до об'єму камери згоряння

    Ступінь стиснення показує у скільки разів зменшується обсяг запоршневого простору при переміщенні поршня з НМТ у ВМТ. Як буде показано в подальшому ступінь стиснення в значній мірі визначає економічність (ККД) будь-якого ДВС.

    Графічна залежність тиску газів в запоршневом просторі від обсягу запоршневого простору, переміщення поршня або кута повороту колінчастого вала носить назву індикаторної діаграмидвигуна.

    5. Палива ДВС

    5.1. Паливо для карбюраторних двигунів

    У карбюраторних двигунах як паливо застосовують бензин. Основний теплової показник бензину - його нижча теплота згоряння (близько 44 МДж / кг). Якість бензину оцінюють по його основним експлуатаційно-технічними властивостями: випаровування, антидетонаційній стійкості, термоокислительной стабільності, відсутності механічних домішок і води, стабільності при зберіганні і транспортуванні.

    Испаряемость бензину характеризує здатність його переходити з рідкої: фази в парову. Испаряемость бензину визначають по його фракційного складу, який знаходиться його разгонкой при різній температурі. Про випаровуваності бензину судять по температур википання 10, 50 і 90% бензину. Так, наприклад, температура википання 10% бензину характеризує його пускові якості. Чим більше випаровуваність при малих температурах, тим краще якістьбензину.

    Бензини мають різну антидетонаційну стійкість, тобто різну схильність до детонації. Антидетонаційна стійкість бензину оцінюється октановьм числом (ОЧ), яке чисельно дорівнює процентному змісту за обсягом изооктана в суміші изооктана і гептана, разноценной по детонаційної стійкості даного палива. ОЧ изооктана сприймають 100, а гептана - за нуль. Чим вище ОЧ бензину, тим менше його схильність до детонації.

    Для підвищення ОЧ до бензину додають етилову рідина, яка складається з тетраетилсвинцю (ТЕС) - антидетонатора і діброметена - виносітеля. Етилову рідину додають до бензину в кількості 0,5-1 см 3 на 1 кг бензину. Бензини з добавкою етилової рідини називають етілірованнимі, вони отруйні, і при їх використанні необхідно дотримуватися запобіжних заходів. Етиловий бензин забарвлений в червоно-оранжевий або синьо-зелений колір.

    Бензин не повинен містити коррозирующих речовин (сірки, сірчистих сполук, водорозчинних кислот і лугів), так як присутність їх призводить до корозії деталей двигуна.

    Термоокислительная стабільність бензину характеризує його стійкість проти смоло- і нагарообразования. Підвищений нагаро- і смолоутворення викликає погіршення відводу теплоти від стінок камери згоряння, зменшення обсягу, камери згоряння і порушення нормальної подачі палива в двигун, що призводить до зниження потужності і економічності двигуна.

    Бензин не повинен містити механічних домішок і води. Присутність механічних домішок викликає засмічення фільтрів, паливопроводів, каналів карбюратора і збільшує знос стінок циліндрів і інших деталей. Наявність води в бензині ускладнює пуск двигуна.

    Стабільність бензину при зберіганні характеризує його здатність зберігати свої первинні фізичні і хімічні властивості при зберіганні та транспортуванні.

    Автомобільні бензини маркуються буквою А з цифрових індексом, показують значення ОЧ. Відповідно до ГОСТ 4095-75 випускаються бензини марок А-66, А-72, А-76, АІ-93, АІ-98.

    5.2. Паливо для дизельних двигунів

    У дизельних двигунах застосовують дизельне паливо, яке є продуктом переробки нафти. Паливо, що використовується в дизельних двигунах, має володіти такими основними якостями: оптимальної в'язкістю, низькою температурою застигання, високою схильністю до займання, високою термоокислительной стабільністю, високими антикорозійними властивостями, відсутністю механічних домішок і води, хорошою стабільністю при зберіганні і транспортуванні.

    в'язкість дизельного паливавпливає на процеси подачі палива і розпилювання. При недостатній в'язкості палива увінчується витік, його через зазори в розпилювачі форсунки і в нерцізіонних парах паливного насоса, а при високій погіршуються процеси подачі палива, розпилювання та сумішоутворення в двигуні. в'язкість палива залежить від температури. Температура застигання палива впливає на процес подачі палива з паливного бака. в циліндри двигуна. Тому паливо повинне мати низьку температурузастигання.

    Схильність палива до займання впливає на перебіг процесу згоряння. Дизельні палива., Що володіють високою схильністю до займання, забезпечують плавне протікання процесу згоряння, без різкого підвищення тиску, займистість палива оцінюють цетановим числом (ЦЧ), яке чисельно дорівнює процентному змісту за обсягом цетана в суміші цетана і альфаметилнафталина, рівноцінної за займистості даному паливу. Для дизельних палив ЦЧ = 40-60.

    Термоокислительная стабільність дизельного палива характеризує його стійкість проти смоло- і нагарообразования. Підвищений нагаро- і смолоутворення викликає погіршення відводу теплоти від стінок камери згоряння і порушення подачі палива через форсунки в двигун, що призводить до зниження потужності і економічності двигуна.

    Дизельне паливо не повинно містити коррозирующих речовин, так як присутність їх призводить до корозії деталей топливоподающей апаратури і двигуна. Дизельне паливо не повинно містити механічних домішок і води. Присутність механічних домішок викликає засмічення фільтрів, паливопроводів, форсунок, каналів паливного насосі, І збільшує знос деталей паливної апаратури двигуна. Стабільність дизельного палива характеризує його здатність зберігати свої початкові фізичні і хімічні властивості при зберіганні та транспортуванні.

    Для автотракторних дизелів застосовують випускаються промисловістю палива: ДЛ - дизельне літнє (при температурі вище 0 ° С), ДЗ - дизельне зимове (при температурі до -30 ° С); ТАК - дизельне арктичне (при температурі нижче - 30 ° С) (ГОСТ 4749-73).