|
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ |
|
1.1. Общие сведения и классификация |
|
1.2. Рабочий цикл четырехтактного ДВС |
|
1.3. Рабочий цикл двухтактного ДВС |
|
2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ |
|
2.1. Теоретические термодинамические циклы ДВС |
|
2.1.1. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме |
|
2.1.2. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном давлении |
|
2.1.3. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл) |
|
2.2. Действительные циклы ДВС |
|
2.2.1. Рабочие тела и их свойства |
|
2.2.2. Процесс впуска |
|
2.2.3. Процесс сжатия |
|
2.2.4. Процесс сгорания |
|
2.2.5. Процесс расширения |
|
2.2.6. Процесс выпуска |
|
2.3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя |
|
2.3.1. Индикаторные показатели двигателей |
|
2.3.2. Эффективные показатели двигателей |
|
2.4. Особенности рабочего цикла и теплового расчета двухтактных двигателей |
|
3. ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ . |
|
3.1. Тепловой баланс двигателей |
|
3.2. Определение основных размеров двигателей |
|
3.3. Основные параметры двигателей. |
|
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ |
|
4.1. Регулировочные характеристики |
|
4.2. Скоростные характеристики |
|
4.2.1. Внешняя скоростная характеристика |
|
4.2.2. Частичные скоростные характеристики |
|
4.2.3. Построение скоростны характеристик аналитическим методом |
|
4.3. Регуляторная характеристика |
|
4.4. Нагрузочная характеристика |
|
Список литературы |
Общие сведения и классификация
Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.
Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:
по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;
по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;
Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.
по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);
по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;
по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.
Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.
За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками , так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называетсяверхней мертвой точкой (ВМТ).Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.
Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания V c .
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра V h .
где D – диаметр цилиндра, мм;
S – ход поршня, мм
Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра V a .
Рис 1.2.Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания
Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.
Отношение полного объема цилиндра V a к объему камеры сгоранияV c называютстепенью сжатия
.
При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.
Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.
Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3.
По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.
Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.
Рис. 1.3.Схемы рабочего цикла двигателей
В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.
Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.
Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.
В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателямис внутренним смесеобразованием . Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называютсядвигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС
Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным . Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.
Первый такт – впуск (рис. 1.4). В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10–30° до ВМТ.
|
Рис. 1.4. Впуск |
Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r . При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси в цилиндр. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). |
При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01–0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линияrа.
Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.
Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.
Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубо- проводе.
Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13–0.45 МПа) в двигателях с наддувом.
Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40–60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.
При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.
При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.
При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.
Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.
Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точкас ) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.
|
Рис 1.5. Сжатие |
На воспламенение и процесс сгорания топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателях с внешним смесеобразованием и впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производятся до прихода поршня в ВМТ. Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас. Третий такт – сгорание и расширение. Третий такт происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 1.6). В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. |
Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутри цилиндрового объема (участок сz на индикаторной диаграмме).
Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линиясzb.
|
Рис. 1.6. Расширение |
Четвертый такт – выпуск. Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. 1.7). Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. В четырехтактных двигателях открывают выпускное отверстие на 40–80° до прихода поршня в НМТ (точкаb ) и закрывают его через 20-40° после прохода поршнем ВМТ. Таким образом, продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов составляет в разных двигателях от 240 до 300° угла поворота коленчатого вала. Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускающемся поршне от момента открытия выпускного отверстия (точка b ) до НМТ, т. е. в течение 40–80°, и основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до закрытия выпускного отверстия, т. е. в течение 200–220° поворота коленчатого вала. Во время предварения выпуска поршень опускается, и удалять из цилиндра отработавшие газы не может. |
Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе.
Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители.
Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек.
|
Рис. 1.7. Выпуск |
При подходе поршня к НМТ давление и температура газа в цилиндре понижаются и скорость истечения отработавших газов падает. Когда поршень подойдет к НМТ, давление в цилиндре понизится. При этом критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими в конце выпуска 60–160 м/сек. Таким образом, предварение выпуска менее продолжительно, скорости газов очень велики, а основной выпуск примерно в три раза продолжительнее, но газы в это время выводят из цилиндра с меньшими скоростями. Поэтому количества газов, выходящих из цилиндра во время предварения выпуска и основного выпуска, примерно одинаковы. По мере уменьшения частоты вращения двигателя уменьшаются все давления цикла, а следовательно, и давления в момент открытия выпускного отверстия. Поэтому при средних частотах вращения сокращается, а при некоторых режимах (при малых оборотах) совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями, характерными для предварения выпуска. |
Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу.
Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.
Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.
Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.
Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.
Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5–30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10–30° до ВМТ, т. е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.
Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.
Согласитесь, что сегодня невозможно представить себе современный мир без автомобилей, поездов, теплоходов и так далее. А ведь так было не всегда.
Еще совсем недавно каких-то двести лет назад единственным средством передвижения по земле кроме собственных ног были лошади. Лошади возили телеги, повозки, кареты, даже вагоны по рельсам.
И мысль о том, что все это можно передвигать без помощи этих несчастных животных была из области фантастики. Тогда-то, в начале 19 века, и начались первые изобретения самоходных машин на основе парового двигателя.
В таком двигателе нагревался огнем наполненный водой котел, и пар от кипящей воды совершал механическую работу по приведению двигателя в ход. Двигатели были чудовищными, малоэффективными, огромными и небезопасными. Однако, на основе этих двигателей были созданы первые автомобили, паровозы и пароходы.
Людям понравилась эта затея, несмотря на все минусы. Тогда это было чудом техники. И лишь в 1860 году, когда паровые двигатели применялись уже повсеместно и перестали считаться чем-то необыкновенным, был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания.
Еще 18 лет понадобилось, чтобы изобретение доработали до нормально работающего варианта, который и по сей день является основой любого двигателя внутреннего сгорания четырехтактного двигателя.
Еще через семь лет двигатели начали работать на бензине. До этого их топливом был светильный газ. В наше время практически везде применяются двигатели внутреннего сгорания с кратным четырем количеством цилиндров. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
Он состоит из цилиндра с поршнем, клапанов для впуска топлива и выпуска отработанных паров и коленчатого вала, соединенного с поршнем. Разберем, как работает двигатель внутреннего сгорания на основе простейшего одноцилиндрового движка.
Во время первого такта сквозь топливный клапан впускается горючая смесь бензина и воздуха. Поршень двигается вниз.
На втором такте поршень двигается вверх, сжимая эту смесь, отчего она нагревается.
Третий такт : сжатая смесь поджигается электрической свечой, и энергия от этого небольшого взрыва толкает поршень вниз, приводя в движение коленчатый вал. Энергии толчка достаточно, чтобы коленвал, вращаясь по инерции, приводил в движение поршень при последующих тактах.
И наконец, на четвертом такте , сквозь второй клапан отработанные газы выталкиваются поршнем из цилиндра. Как видно, только один из четырех тактов рабочий.
Для равномерного вращения вала и увеличения мощности совмещают на одном валу четыре цилиндра таким образом, чтобы во время каждого такта один из цилиндров был в стадии рабочего хода. В таком случае они равномерно и последовательно вращают коленвал. Восемь, двенадцать и более цилиндров применяются уже исключительно для увеличения
Двигатель или мотор (от лат. motor приводящий в движение) - устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
В случае автомобиля, топливо - это содержимое топливного бака, а механическая работа, соответственно - движение. Так как же бензин или дизельное топливо двигает автомобиль?
Начать нужно с того, из чего состоит двигатель внутреннего сгорания :
-головка блока цилиндров - это своеобразный сосуд для камеры сгорания рабочей смеси, клапанов газораспределения с приводом, свечей зажигания и форсунок;
-цилиндры - это полые детали с цилиндрической внутренней поверхностью, в цилиндрах движутся поршни;
-поршни - это подвижные детали, плотно перекрывающие цилиндры в поперечном сечении и перемещающиеся вдоль их оси;
-поршневые кольца - это незамкнутые кольца, которые плотно посажены в канавках на внешних поверхностях поршней, они герметизируют камеру сгорания, улучшают теплопередачу через стенки цилиндров и регулируют расход смазки;
-поршневые пальцы служат для шарнирного соединения поршня с шатуном, каждый из них является осью, относительно которой шатун совершает колебательное движение.;
-шатуны - это звено плоского механизма,связанное с другими подвижными звеньями посредством вращательных кинематических пар и совершающее сложное плоское движение;
-коленчатый вал - это это вал, состоящий из нескольких кривошипов;
-маховик - массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии;
-распределительный вал с кулачками - основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя;
-клапаны - это механизмы, при помощи которых можно, по желанию, открывать или закрывать отверстия различного назначения;
-свечи зажигания служат для воспламенения горючей смеси, они представляют из себя набор электродов, между которыми и возникает искра.
Но для полноценной работы ДВС необходимо еще несколько систем:
-система питания ДВС состоит из топливного бака, фильтров очистки топлива, топливопроводов, топливного насоса, воздушного фильтра, выпускной системы и карбюратора (если двигатель не инжекторный);
-система выпуска отработавших газов ДВС состоит из выпускного клапана, выпускного канала, приемной трубы глушителя, дополнительного глушителя (резонатора), основного глушителя, соединительных хомутов;
-система зажигания ДВС состоит из источника питания для системы зажигания (аккумулятор и генратор), выключателя зажигания, устройства управления накоплением энергии, накопителя энергии (например, катушка зажигания), системы распределения зажигания, высоковольтных проводов и свечей зажигания;
-система охлаждения ДВС состоит из специальным образом устроенных двойных стенок блока цилиндров и головок (пространство между ними заполнено охлаждающей жидкостью), радиатора, расширительного бачка, насоса, термостата и трубопроводов;
Система смазки состоит из поддона картера, масляного насоса, масляного фильтра, трубок, каналов и отверстий для подачи масла.
Само название ДВС - двигатель ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - намекает на то, что чего-то там горит. И горит, конечно, не само топливо, а лишь его пары, смешанные с воздухом. Такую смесь обычно называют рабочей. Горение этой смеси имеет особенность - она сгорает, значительно увеличиваясь в объеме, создавая, так сказать, ударную волну для поршней цилиндров.
За создание рабочей смеси отвечает карбюратор или инжектор соответственно, в зависимости от типа двигателя.
Итак, сгорание рабочей смеси создает движение поршня. Но как с помощью поршня сдвинуть с места автомобиль? Для этого нужно преобразовать движение поршня во вращение. Поэтому палец и шатун соединяют поршень с кривошипом коленчатого вала, который, что вполне естественно, начинает от этого вращаться. Обороты с коленчатого вала "забирает" трансмиссия .
Вышеописанная схема - крайне упрощена. Теперь рассмотрим все происходящее в ДВС подробнее. Классической схемой работы ДВС является разделение его на такты. Для того чтобы рассмотреть каждый такт работы двигателя нужно усвоить несколько определений:
Верхняя мертвая точка (ВМТ) - самое верхнее положение поршня в цилиндре.
Нижняя мертвая точка (НМТ) - самое нижнее положение поршня в цилиндре.
Ход поршня - расстояние между ВМТ и НМТ.
Камера сгорания - объем в цилиндре над поршнем, когда он находится в ВМТ.
Рабочий объем цилиндра - объем над поршнем цилиндра, когда он находится в НМТ.
Рабочий объем двигателя - это суммарный рабочий объем всех цилиндров.
Степень сжатия ДВС - это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Во время первого такта работы ДВС впускной клапан открывается для заполнения цилиндра рабочей смесью. Степень заполнения цилиндра определяется положением поршня: рабочая смесь перестает поступать, когда поршень оказывается в положении НМТ. Перемещение поршня начинает вращать кривошип, и коленчатый вал поворачивается, правда повернуться он успевает только на полоборота.
Впускной клапан во время второго такта работы ДВС закрывается. Выпускной клапан системы также закрыт. Рабочая смесь находится внутри герметичного цилиндра. Начинается движение поршня, а, соответственно, и сжатие рабочей смеси. К концу сжатия (а значит и второго такта) давление в цилиндре уже очень велико, а температура достигает 500 градусов по Цельсию.
Третий такт работы ДВС - самый главный. Именно во время третьего такта происходит превращение тепловой энергии в механическую.
Там, где проходит тонкая грань между вторым и третьим тактом, срабатывает свеча зажигания: смесь воспламеняется и поршень устремляется к НМТ. Результат - вращение коленчатого вала.
Во время четвертого такта работы ДВС открывается выпускной клапан при закрытом впускном. Поршень, возвращаясь к ВМТ, выталкивает из цилиндра отработавшие газы в выпускной канал, который ведет прямиком через глушитель в атмосферу.
Все четыре такта работы ДВС циклично повторяются. Но самым важным из них безусловно является третий - обеспечивающий рабочий ход. Остальные такты являются вспомогательными, лишь для "организации" третьего такта, который двигает автомобиль.
В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.
Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.
Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.
Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков , к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.
В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели . Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.
Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).
Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.
Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.
Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).
На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.
На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.
Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.
При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.
Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.
За время своего существования инженерная мысль человечества изобрела различные типы двигателей, многие из которых применяются до сих пор, но некоторые из них стали лишь историческим фактом.
На данный момент все типы двигателей разделяются на следующие типы:
Их название в первую очередь зависит от того, какой тип энергии они преобразуют в работу. К примеру, работа теплового двигателя основана на превращении энергии нагрева в механическое движение. Они в свою очередь бывают также двух типов:
Именно двигателями внутреннего сгорания оборудовано большинство транспортных средств, используемых во всем мире. В этой статье мы расскажем о видах ДВС, а также об устройстве и работе ДВС поршневого типа.
Двигатель внутреннего сгорания, сокращенно ДВС - это мотор, тепловая машина, где химическая энергия углеводородного топлива, жидкого или газообразного, которое сгорает в рабочей камере сгорания, превращается в полезную работу. ДВС является "сердцем" автомобиля, поскольку именно в двигателе вырабатываемое тепло превращается в механическую энергию движения.
Каждый, кто задается вопросом о ДВС, что это такое в машине, должен понимать, что современный технический прогресс создал большое разнообразие видов двигателей внутреннего сгорания.
В зависимости от типа рабочего механизма все разнообразие ДВС можно разделить на несколько категорий, встречаются:
Именно за счет этих механизмов в камере сгорания может осуществляться процесс превращения тепловой энергии в движущую силу, собственно за счет поршня, ротора или турбины. Давайте рассмотрим принцип работы каждого типа ДВС более подробно.
Работа газотурбинного двигателя основана на том, что топливо, воспламеняясь, толкает лопасти турбины. Другими словами происходит вращение лопастей за счет расширяющегося газа. И чем выше температура горения топлива, тем больше КПД у данного двигателя.
В свою очередь различают одновальные и двухвальные газотурбинные двигатели. Одновальные моторы имеют одну турбину, двухвальные - две. Помимо этого двухвальные агрегаты выдерживают большую нагрузку, чем одновальные. Такие двигатели чаще всего можно встретить в грузовых автомобилях, на кораблях, локомотивах, самолетах.
Принцип работы роторного двигателя основан на постоянном вращении ротора с переменной тактов работы. Роторный двигатель имеет всего лишь один поршень, который одновременно и является ротором. Он вращается в цилиндре специальной формы, приспособленной для него.
Ротор в свою очередь соединен с валом и зубчатой передачей со стартером. Его лопасти при вращении ротора попеременно перекрывают камеру, где и сгорает топливо. Такой мотор имеет сбалансированную конструкцию, небольшой вес и компактный размер. Однако топлива подобный агрегат потребляет на 100 километров пути гораздо больше, чем поршневой двигатель.
Роторный двигатель в разное время ставился на некоторые модели "Мерседес", "Шевроле" и "Ситроен". Также в прошлом двигатель такой конструкции устанавливали и на моделях "ВАЗ-2108" и " ВАЗ-2109". В настоящее время роторный мотор можно увидеть на модели RX8 концерна "Мазда". Однако с 2012 года ее производство прекращено. На данный момент концерн готовит к выпуску новую модель спорткара "Мазда RX-9".
В ДВС с поршневым принципом работы камера сгорания находится внутри цилиндра, где сам поршень выполняет функцию подвижной части, которая в зависимости от этапа сгорания топлива и такта работы мотора поднимается или опускается. В свою очередь в двигателе автомобиля может находиться определенное число цилиндров. Их поршни через передаточный механизм приводят в движение коленвал, который и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, что в конечном итоге и позволяет колесам автомобиля вращаться.
Поршневой двигатель самый распространенный в автостроении из-за своих положительных характеристик:
Данные типы двигателей можно классифицировать по используемому горючему, встречаются:
Также двигатели поршневого типа можно классифицировать по системе зажигания, они разделяются:
В двигателях первого типа с принудительным возгоранием поджиг горючей смеси происходит за счет электрической искры, которая вырабатывается системой зажигания и подается через свечу прямо в цилиндры. В качестве топлива в них чаще всего используется бензин, реже можно встретить модели, работающие на газе.
Помимо этого бензиновые двигатели могут также различаться и способом подачи горючей смеси в рабочую камеру сгорания. Делятся они на карбюраторные и инжекторные системы.
Дизельные же двигатели относятся к моторам, где возгорание топлива осуществляется самопроизвольно, от сжатия его поршнем. В ДВС этого типа используется преимущественно наиболее экологическое дизельное топливо, но при необходимости двигатель может работать и на других горючих жидкостях, начиная от керосина и мазута, и заканчивая рапсовым и пальмовым маслом.
В свою очередь двигатели внутреннего сгорания также различаются количеством тактов в рабочем цикле. Встречаются четырехтактные и двухтактные моторы. Каждый из них имеет свои как положительные стороны, так и отрицательные. Однако четырехтактные ДВС самые распространенные из всех поршневых. Двухтактные же моторы в современных автомобилях не используются.
Поршневые типы двигателей по расположению цилиндров в моторе также разделяются на несколько подвидов, самыми распространенными из них являются:
В первую очередь необходимо помнить, что ДВС состоит из множества составляющих элементов и вспомогательных систем, являющихся составной частью двигателя. Для упрощения их можно сгруппировать в следующе группы:
Давайте разберем каждую часть более подробно.
Кривошипно-шатунный механизм – одно из важнейших устройств в поршневом двигателе. Именно этот механизм выполняет две важные функции в машине - вырабатывание тепла и преобразование этой энергии в механическую работу. Состоит данный механизм из следующих деталей:
Блок цилиндров является основой, на которой размещается множество навесных частей мотора, таких как ГБЦ и картер. Помимо этого также выполняет функцию каркаса для размещения в нем цилиндров.
В свою очередь головка блока цилиндров является основой для такого важного составляющего мотора как механизм газораспределения, который расположен в полости головки, называемой картер. Именно за счет данного механизма в цилиндры своевременно поступает необходимое количество топливной смеси, а также выводятся продукты сгорания из цилиндров. Осуществляется этот процесс за счет клапанов, которые открываются и закрываются в определенный промежуток времени на разных этапах работы двигателя.
Механизм газораспределения состоит также из множества составляющих, к ним относятся такие элементы как:
Механизм газораспределения приводится в действие от коленвала, связан с распредвалом посредством ремня или цепи, который при вращении с помощью передаточных систем и нажимает на клапана, тем самым заставляя их в нужный момент открываться и закрываться. Все это крепится на специальной площадке головки блока цилиндров. ГБЦ же присоединяется к блоку цилиндров с помощью особых винтов и специальной соединительной прокладки.
Работа системы питания заключается в создании горючей смеси путем смешивания воздуха с топливом в определенных пропорциях, оптимальных для работы двигателя.
В отличие от карбюраторного двигателя, насос которого является механическим, в инжекторной системе установлен электрический. Он позволяется обеспечить нужное давление в системе при подаче бензина. Весь этот процесс контролируется электронной системой автомобиля. Путем сбора информации с множества датчиков компьютер решает, в какой момент следует произвести подачу бензина. Одновременно с этим открывается нужный клапан, и готовая топливная смесь подается в цилиндр.
Система зажигания предусмотрена в конструкциях только бензиновых ДВС. Работа данной системы заключается в поджиге топливной смеси в камере сгорания. Происходит это действие в определенный промежуток времени с помощью свечи зажигания. Между электродами свечи проскакивает электрическая искра, которая и воспламеняет горючую смесь в нужный момент.
В дизельных же двигателях системы зажигания попросту нет, поскольку топливо в ДВС этой конструкции самовоспламеняется за счет сжатия. Вместо свечи в них установлена форсунка высокого давления, которая впрыскивает дизельное топливо под высоким давлением прямо в цилиндр. Причем это происходит в тот момент, когда воздух в цилиндре уже сжат и разогрет порядка до 700 градусов. Именно при этой температуре дизтопливо способно самовоспламеняться, что и происходит практически сразу после его впрыска в цилиндр.
Выхлопная система служит для отвода отработанных газов из камеры сгорания наружу. В первую очередь отработавшие газы попадают из головки блока цилиндров в выпускной коллектор. Он собирает газы из каждого цилиндра индивидуально и направляет их в одну трубу.
Далее отработавшие газы проходят через каталитический нейтрализатор, где вредные газы превращаются в менее опасные. Хотя его может и не быть, если автомобиль достаточно старый. Тогда газы поступают сразу в глушитель, который уменьшает шум выхлопа, после чего они просто выходят через выхлопную трубу.
Стоит отметить, что выхлопная труба обычно располагается в задней части автомобиля, поскольку именно оттуда выхлопные газы имеют меньше всего шансов попасть в салон.
Итак, мы с вами познакомились с двумя механизмами, которые применяются в автомобильном двигателе, это кривошипно-шатунный и механизм газораспределения. Стоит обратить внимание на то, что детали этих механизмов соприкасаются друг с другом и двигаются относительно друг друга. Как известно из школьного курса физики трущиеся детали приводят к износу друг друга, то есть они просто изнашиваются и для того чтобы снизить износ, как правило, используют смазывающие средства. В автомобильных двигателях для смазки трущихся деталей, снижения их износа и уменьшения силы трения между деталями для увеличения КПД мотора применяется система смазки.
На этой схеме мы видим часть системы смазки, внизу располагается так называемый картер, это некий поддон в котором находится смазочное масло. В первую очередь масло под давлением подается в масляный фильтр, там очищается и по одним каналам попадает к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала. По другим каналам масло подводится в газораспределительный механизм, поскольку распредвал также испытывает трение и соответственно должен смазываться.
После того как масло сделало свое дело, смазало все необходимые детали, оно стекает по каналам обратно в поддон. Таким образом, происходит круговорот, стекающее масло через сетку попадает в масляный насос, затем в фильтр, после в систему смазки, возвращается в картер и опять по кругу.
Стоит отметить, если по каким-то причинам масло не может попасть в фильтр, то при превышении давления определенного значения открывается редукционный клапан и лишнее масло стекает обратно в поддон, что предотвращает поломку масляного насоса. Также на некоторых мощных моторах в системе предусматриваются еще и радиаторы для того, чтобы это моторное масло охлаждать.
Как известно во время работы ДВС выделяется большое количество тепла. Цилиндр двигателя может нагреться до нескольких сотен градусов. Поэтому для того чтобы отвести лишнее тепло от самых разогреваемых деталей применяется система охлаждения двигателя.
Для этого в автомобильных моторах предусмотрены специальные полости, которые заполнены охлаждающей жидкостью. И вот эта жидкость, двигаясь по системе охлаждения, принудительно омывает стенки цилиндров и другие наиболее горячие элементы, отбирая у них тепло.
Практически во всех современных ДВС установлена система охлаждения жидкостного типа, которая состоит из следующих элементов:
Принцип работы системы охлаждения на всех двигателях примерно одинаков. В целом работает система в двух режимах:
Температура срабатывания термостата, как правило, составляет около 90 градусов. На разных моделях автомобилей это значение может немного отличаться. Таким образом, данная система не позволяет двигателю перегреться, отводя тепло от самых горячих элементов и поддерживая оптимальную температуру работы мотора.
Тактом называют процесс, который происходит в цилиндре за одно движение поршня в нижнюю или верхнюю мертвую точку, а сумму этих тактов, как правило, называют рабочим циклом ДВС. Как уже было сказано выше, бывают двухтактные и четырехтактные двигатели.
Если ДВС осуществляет четыре этапа рабочего цикла, то двигатель называют четырехтактным. Давайте разберем каждый такт данного типа двигателя более детально.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС, благодаря движению поршней в моторе, позволяет произвести два оборота коленчатого вала, которые в конечном итоге и преобразуются во вращение колес.
В двухтактных же моторах, полный рабочий цикл протекает всего за два этапа работы поршня, называемых:
Такт "сжатия" начинается с движения поршня из нижнего положения в верхнее. В этот момент происходит единый процесс газообмена, называемый продувкой, при котором закрывается сначала продувочное, а потом и выпускное отверстие. Далее происходит процесс сжатия топливной смеси поршнем. Одновременно с этим в картере под поршнем создается разряжение, благодаря этому через открытый впускной клапан в кривошипную камеру подается топливная смесь.
Такт "рабочий ход" берет свое начало уже с верхнего положения поршня, когда сжатая горючая смесь воспламеняется от искры. После этого происходит расширение сгорающего топлива, и поршень начинает двигаться в низ. Этим действием поршень также создает давление в картере под кривошипной парой и тем самым закрывает впускной клапан, не позволяя газам попасть обратно во впускной коллектор.
Рейтинг 4.75
