Теплове розширення

Поршневі двигуни внутрішнього згоряння

Класифікація ДВЗ

Основи влаштування поршневих ДВС

Принцип роботи

Принцип дії чотиритактного карбюраторного двигуна

Принцип дії чотиритактного дизеля

Принцип дії двотактного двигуна

Робочий цикл чотиритактного двигуна

Робочі цикли двотактних двигунів

ПОКАЗНИКИ, ЩО ХАРАКТЕРИЗУЮТЬ РОБОТУ ДВИГУНІВ

Середній індикаторний тиск та індикаторна потужність

Ефективна потужність та середні ефективний тиск

Індикаторний ККД та питома індикаторна витрата палива

Ефективний ККД та питома ефективна витрата палива

Тепловий баланс двигуна

Інновації

Вступ

Значне зростання всіх галузей народного господарства потребує переміщення великої кількості вантажів та пасажирів. Висока маневреність, прохідність та пристосованість для роботи в різних умовах робить автомобіль одним із основних засобів перевезення вантажів та пасажирів.

Важливу роль відіграє автомобільний транспорт у освоєнні східних та нечорноземних районів нашої країни. Відсутність розвиненої мережі залізницьта обмеження можливостей використання річок для судноплавства роблять автомобіль головним засобом пересування у цих районах.

Автомобільний транспорту Росії обслуговує всі галузі народного господарства і займає одне з провідних місць у єдиній транспортної системикраїни. Перед автомобільного транспорту припадає понад 80% вантажів, перевозимых всіма видами транспорту разом узятими, і понад 70% пасажирських перевезень.

Автомобільний транспорт створено в результаті розвитку нової галузі народного господарства – автомобільної промисловості, яка на сучасному етапі є однією з основних ланок вітчизняного машинобудування.

Початок створення автомобіля було покладено більше двохсот років тому (назва "автомобіль" походить від грецького слова autos - "сам" і латинського mobilis - "рухливий"), коли стали виготовляти "візки, що саморухаються". Вперше вони з'явилися у Росії. У 1752 р. російський механік-самоучка селянин Л.Шамшуренков створив досить досконалу для свого часу "самобіглу коляску", що приводиться в рух силою двох людей. Пізніше російський винахідник І.П.Кулібін створив "самокатний візок" з педальним приводом. З появою парової машини створення саморухових возів швидко просунулося вперед. У 1869-1870 pp. Ж.Кюньо у Франції, а через кілька років і в Англії було збудовано парові автомобілі. Широке поширення автомобіля як транспортного засобу починається з появою швидкохідного двигуна внутрішнього згоряння. У 1885 р. Г.Даймлер (Німеччина) побудував мотоцикл з бензиновим двигуном, а 1886 р. К.Бенц - триколісний візок. Приблизно в цей час в індустріально розвинених країнах (Франція, Великобританія, США) створюються автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння.

Наприкінці ХІХ століття у низці країн виникла автомобільна промисловість. У царській Росії неодноразово робилися спроби організувати власне машинобудування. У 1908 р. виробництво автомобілів було організовано на Російсько-Балтійському вагонобудівному заводі Ризі. Протягом шести років тут випускалися автомобілі, зібрані здебільшого з імпортних частин. Усього завод побудував 451 легковий автомобільта невелика кількість вантажних автомобілів. У 1913 р. автомобільний парк у Росії становив близько 9000 автомобілів, їх більшість - зарубіжного виробництва. Після Великої Жовтневої соціалістичної революції практично знову довелося створювати вітчизняну автомобільну промисловість. Початок розвитку російського автомобілебудування відноситься до 1924, коли в Москві на заводі АМО були побудовані перші вантажні автомобілі АМО-Ф-15.

У період 1931-1941 р.р. створюється великосерійне та масове виробництво автомобілів. У 1931 р. на заводі АМО розпочалося масове виробництво вантажних автомобілів. У 1932 р. увійшов до ладу завод ГАЗ.

У 1940 р. розпочав виробництво малолітражних автомобілівМосковський завод малолітражних автомобілів Дещо пізніше був створений Уральський автомобільний завод. За роки повоєнних п'ятирічок почали працювати Кутаїський, Кременчуцький, Ульяновський, Мінський автомобільні заводи. Починаючи з кінця 60-х рр. розвиток автомобілебудування характеризується особливо швидкими темпами. У 1971 р. вступив у дію Волзький автомобільний завод ім. 50-річчя СРСР.

За останні роки заводами автомобільної промисловості освоєно багато зразків модернізованої та нової автомобільної техніки, у тому числі для сільського господарства, будівництва, торгівлі, нафтогазової та лісової промисловості.

Двигуни внутрішнього згоряння

В даний час існує велика кількість пристроїв, які використовують теплове розширення газів. До таких пристроїв відноситься карбюраторний двигун, дизелі, турбореактивні двигуни і т.д.

Теплові двигуниможуть бути поділені на дві основні групи:

1. Двигуни із зовнішнім згорянням - парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга і т.д.

2. Двигуни внутрішнього згоряння. Як енергетичні установки автомобілів найбільшого поширення набули двигуни внутрішнього згоряння, в яких процес згоряння

палива з виділенням теплоти та перетворенням її на механічну роботувідбувається безпосередньо у циліндрах. На більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння.

Найбільш економічними є поршневі та комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Вони мають досить великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розмірита масу. Основним недоліком цих двигунів слід вважати зворотно-поступальний рух поршня, пов'язаний з наявністю кривошатунного механізму, що ускладнює конструкцію і обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо при значних розмірах двигуна.

А тепер трохи про перших ДВС. Перший двигун внутрішнього згоряння (ДВС) був створений у 1860 р. французьким інженером Етвеном Ленуаром, але ця машина була вельми недосконалою.

У 1862 р. французький винахідник Бо де Роша запропонував використовувати у двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл:

1. всмоктування;

2. стиск;

3. горіння та розширення;

4. вихлоп.

Ця ідея була використана німецьким винахідником Н.Отто, який побудував у 1878 р. перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. ККД такого двигуна досягав 22%, що перевищувало значення, отримані під час використання двигунів всіх попередніх типів.

Швидке поширення ДВС у промисловості, на транспорті, сільському господарствіта стаціонарної енергетики була обумовлена ​​низкою їх позитивних особливостей.

Здійснення робочого циклу ДВС в одному циліндрі з малими втратами та значним перепадом температур між джерелом теплоти та холодильником забезпечує високу економічність цих двигунів. Висока економічність - одна з позитивних якостей ДВЗ.

Серед ДВЗ дизель в даний час є таким двигуном, який перетворює хімічну енергію палива на механічну роботу з найбільш високим ККД у широкому діапазоні зміни потужності. Ця якість дизелів особливо важлива, якщо врахувати, що запаси нафтових палив обмежені.

До позитивних особливостям ДВСВарто також віднести те, що вони можуть бути пов'язані практично з будь-яким споживачем енергії. Це пояснюється широкими можливостями отримання відповідних характеристик зміни потужності крутного моменту цих двигунів. Розглянуті двигуни успішно використовують на автомобілях, тракторах, сільськогосподарських машинах, тепловозах, суднах, електростанціях тощо., тобто. ДВЗ відрізняються гарною пристосовністю до споживача.

Порівняно невисока початкова вартість, компактність та мала маса ДВЗ дозволили широко використовувати їх на силових установках, що знаходять широке застосування та мають невеликі розміри моторного відділення.

Установки з ДВС мають велику автономність. Навіть літаки із ДВС можуть літати десятки годин без поповнення пального.

Важливою позитивною якістю ДВЗ є можливість їхнього швидкого запуску у звичайних умовах. Двигуни, що працюють за низьких температур, забезпечуються спеціальними пристроями для полегшення та прискорення пуску. Після запуску двигуни порівняно швидко можуть приймати повне навантаження. ДВС мають значний гальмівний момент, що дуже важливо при використанні їх на транспортних установках.

Позитивною якістю дизелів є здатність одного двигуна працювати на багатьох паливах. Так відомі конструкції автомобільних багатопаливних двигунів, а також суднових двигунів. великої потужності, які працюють на різних паливах – від дизельного до котельного мазуту.

Але поряд з позитивними якостямиДВС мають ряд недоліків. Серед них обмежена порівняно, наприклад, з паровими та газовими турбінами агрегатна потужність, високий рівеньшуму, відносно велика частота обертання колінчастого валупри пуску та неможливість безпосереднього з'єднання його з провідними колесами споживача, токсичність вихлопних газів, Поворотно-поступальний рух поршня, що обмежують частоту обертання і є причиною появи неврівноважених сил інерції та моментів від них.

Але неможливо було б створення двигунів внутрішнього згоряння, їх розвитку та застосування, якби не ефект теплового розширення. Адже в процесі теплового розширення нагріті до високої температури гази роблять корисну роботу. Внаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння різко підвищується тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня в циліндрі. А це і є та потрібна технологічна функція, тобто. силовий вплив, створення великих тисків, яку виконує теплове розширення, і заради якої це явище застосовують у різних технологіях і зокрема ДВС.

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

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 валу.

При обертанні колінчастого валу відбувається зворотно-поступальний рух поршня в циліндрі. За один оберт колінчастого валу поршень робить по одному ходу вниз і вгору. Зміна напрямку руху поршня відбувається у мертвих точках - верхній (ВМТ) та нижній (НМТ).

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

Мал. Принципова схема (а) одноциліндрового чотиритактного поршневого двигуна внутрішнього згоряння та 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 – розподільчий 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 кривошипу; S – хід поршня

Відстань S (рис. б) між ВМТ та НМТ називається ходом поршня. Його розраховують за такою формулою:

S = 2r,
де r - радіус кривошипу колінчастого валу.

Ходом поршня та діаметром циліндра D визначаються основні розміри двигуна. У транспортних двигунах відношення S/D становить 07-15. При S/D< 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D >1 – довгохідним.

При переміщенні поршня вниз з ВМТ НМТ обсяг над ним змінюється від мінімального до максимального. Мінімальний об'єм циліндра над поршнем при його положенні у ВМТ називається камерою згоряння. Об'єм циліндра, що звільняється поршнем при його переміщенні з ВМТ НМТ, називається робочим. Сума робочих об'ємів всіх циліндрів є робочим об'ємом двигуна. Виражений у літрах, він називається літражем двигуна. Повний об'єм циліндра визначається сумою його робочого об'єму та об'єму камери згоряння. Цей обсяг укладено над поршнем при його положенні 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 заряд (повітря або паливо-повітряна суміш) при переміщенні поршня з НМТ до ВМТ. У бензинових двигунів ступінь стиснення становить 6 - 14, а в дизелів - 14 - 24. Прийнята ступінь стиснення багато в чому визначає потужність двигуна та його економічність, а також суттєво впливає на токсичність газів, що відпрацювали.

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

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 валу. Повний робочий цикл здійснюється за два обороти колінчастого валу. Слід зазначити, що у випадку поняття «робочий процес» і «такт» є синонімами, хоча чотиритактного поршневого двигуна вони практично збігаються.

Розглянемо робочий цикл бензинового двигуна.

Перший такт робочого циклу – впуск. Поршень переміщається з ВМТ 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 робочою сумішшю. У більшості бензинових двигунів горюча суміш формується поза циліндром (у карбюраторі або впускному трубопроводі 8).

Наступний такт – стиск. Поршень переміщається назад з НМТ у ВМТ, стискаючи робочу суміш. Це необхідно для її більш швидкого та повного згоряння. Впускний та випускний клапани закриті. Ступінь стиснення робочої суміші під час такту стиснення залежить від властивостей бензину, що застосовується, і в першу чергу від його антидетонаційної стійкості, що характеризується октановим числом (у бензинів воно становить 76 - 98). Чим вище октанове число, тим більша антидетонаційна стійкість палива. При надмірно високому ступені стиснення або низької антидетонаційної стійкості бензину може статися детонаційне (внаслідок стиснення) займання суміші та порушити нормальну роботу двигуна. До кінця такту стиснення тиск у циліндрі зростає до 0,8...1,2 МПа, а температура сягає 450...500°С.

За тактом стиснення слідує розширення (робочий хід), коли поршень з ВМТ переміщається назад вниз. На початку цього такту, навіть з деяким випередженням, горюча суміш спалахує від свічки запалювання 10. При цьому впускний та випускний клапани закриті. Суміш згоряє дуже швидко із виділенням великої кількості теплоти. Тиск у циліндрі різко зростає, і поршень переміщається до ЦМТ, обертаючи через шатун 3 колінчастий вал 1. У 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 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 випускний трубопровід 11. Потім робочий цикл повторюється.

Робочий цикл дизеля має деякі відмінності від розглянутого циклу бензинового двигуна. При такті впуску трубопроводом 8 в циліндр надходить не горюча суміш, а чисте повітря, яке під час наступного такту стискається. В кінці такту стиснення, коли поршень підходить до ВМТ, в циліндр через спеціальний пристрій - форсунку, вкручену у верхню частину головки циліндра, під великим тиском впорскується дизельне паливо в дрібнорозпиленому стані. Доторкаючись до повітря, що має внаслідок стиснення високу температуру, частки палива швидко згоряють. Виділяється велика кількість теплоти, у результаті температура в циліндрі підвищується до 1700...2000 °С, а тиск - до 7...8 МПа. Під впливом тиску газів поршень переміщається донизу - відбувається робочий хід. Такти випуску дизеля і бензинового двигуна аналогічні.

Для того, щоб робочий цикл у двигуні відбувався правильно, необхідно узгодити моменти відкриття та закриття його клапанів з частотою обертання колінчастого валу. Це здійснюється в такий спосіб. Колінчастий вал за допомогою зубчастої, ланцюгової або ремінної передачі призводить до обертання ще один вал двигуна - розподільний 9, який повинен обертатися вдвічі повільніше за колінчастий. на розподільчому валує профільовані виступи (кулачки), які безпосередньо або через проміжні деталі (штовхачі, штанги, коромисла) переміщують впускні та випускні клапани. За два обороти колінчастого валу кожен клапан, впускний та випускний, відкривається та закривається лише один раз: під час такту впуску та випуску відповідно.

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

Колінчастий вал одноциліндрового двигуна обертається нерівномірно: з прискоренням під час робочого ходу та уповільненням при інших допоміжних тактах (впуск, стиснення та випуск). Для підвищення рівномірності обертання колінчастого валу 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 картеру двигуна передаються значні поштовхи, що швидко виводить із ладу сам двигун та деталі його кріплення. Тому одноциліндрові двигуни застосовуються рідко, переважно на двоколісних ТС. На інших машинах встановлюють багатоциліндрові двигуни, які забезпечують рівномірніше обертання колінчастого валу за рахунок того, що робочий хід поршня в різних циліндрах відбувається неодночасно. Найбільшого поширення набули чотири-, шести-, восьми- і дванадцятициліндрові двигуни, хоча на деяких ТЗ використовуються також три- і п'ятициліндрові.

Багатоциліндрові двигуни зазвичай мають рядне або V-подібне розташування циліндрів. У першому випадку циліндри встановлені в одну лінію, а в другому - у два ряди під деяким кутом один до одного. Цей кут для різних конструкцій становить 60…120°; у чотирьох- і шестициліндрових двигунів він зазвичай дорівнює 90 °. У порівнянні з рядними V-подібні двигуни такої ж потужності мають меншу довжину, висоту та 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 у тому випадку, якщо чергування робочого ходу в його циліндрах відбувається через рівні кути повороту колінчастого валу. Кутовий інтервал, через який рівномірно повторюватимуться однойменні такти в різних циліндрах, можна визначити розподілом 720° (кут повороту колінчастого валу, при якому відбувається повний робочий цикл) на число циліндрів двигуна. Наприклад, у восьмициліндрового двигуна кутовий інтервал дорівнює 90 °.

Послідовність чергування однойменних тактів у різних циліндрах називається порядком роботи двигуна. Порядок роботи повинен бути таким, щоб максимально 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 напрямом. У чотирициліндрових рядних і V-подібних двигунів порядок роботи може бути такий: 1 - 2 - 4 - 3 або 1 - 3 - 4-2, у шестициліндрових рядних і V-подібних 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 використання робочого об'єму циліндрів та підвищення їх потужності в деяких конструкціях поршневих двигунівздійснюють наддув повітря з відповідним збільшенням кількості палива, що впорскується. Для забезпечення наддуву, тобто створення на вході в циліндр надлишкового тиску, найчастіше застосовують газотурбінні компресори (турбокомпресори). У цьому випадку для нагнітання повітря використовується енергія газів, що відпрацювали, які, виходячи з великою швидкістю з циліндрів, обертають турбінне колесотурбокомпресора, встановлений на одному валу з насосним колесом. Крім турбокомпресорів застосовують також механічні нагнітачі, робочі органи яких (насосні колеса) наводяться в обертання колінчастого валу двигуна за допомогою механічної передачі.

Для кращого наповнення циліндрів горючою сумішшю ( бензинові двигуни) або чистим повітрям (дизелі), а також повнішого їх очищення від відпрацьованих газів клапани повинні відкриватися і закриватися не в моменти знаходження поршнів у ВМТ і НМТ, а з деяким випередженням або запізненням. Моменти відкриття та закриття клапанів, виражені в градусах через кути повороту колінчастого валу щодо ВМТ та 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 впускного трубопроводу, що відкрився, частинки свіжого заряду, які починають наповнювати циліндр навіть при відсутності розрідження в ньому. На момент приходу поршня в ВМТ і початку його руху вниз впускний клапан вже відкрито на значну величину, і циліндр швидко наповнюється свіжим зарядом. Кут випередження відкриття впускного клапана у різних двигунівколивається не більше 9…33°. Впускний клапан закриється тоді, коли поршень пройде НМТ і почне рухатися на такті стиснення. До цього часу свіжий заряд заповнює циліндр за інерцією. Кут запізнення 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 запізнення закриття впускного клапана; у - кут випередження відкриття випускного клапана; б - кут запізнення закриття випускного клапана

Випускний клапан відкривається під час робочого ходу, коли поршень ще не досяг НМТ. При цьому робота поршня, необхідна для витіснення газів, що відпрацювали, зменшується, компенсуючи деяку втрату роботи газів через раннє відкриття випускного клапана. Кут Y випередження відкриття випускного клапана становить 40…70°. Випускний клапан закривається трохи пізніше приходу поршня у ВМТ, тобто під час такту впуску наступного робочого циклу. Коли поршень почне опускатися, гази, що залишилися, за інерцією ще будуть виходити з циліндра. Кут 5 запізнення 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 та їх сідлами в даному випадку малі, витоку заряду з циліндра практично немає. Крім того, наповнення циліндра свіжим зарядом покращується за рахунок великої швидкості потоку газів, що відпрацювали через випускний клапан.

Кути випередження і запізнення, а отже, і тривалість відкриття клапанів повинні бути тим більшими, чим вище частота обертання колінчастого валу двигуна. Це пов'язано з тим, що у швидкохідних двигунів усі процеси газообміну відбуваються швидше, а інерція заряду та газів, що відпрацювали, 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 (ВМД) пояснює малюнок. Повітря з атмосфери засмоктується компресором 2, стискається в ньому і подається в камеру згоряння 2, куди подається паливо через форсунку. У цій камері відбувається процес горіння палива при постійному тиску. Газоподібні продукти згоряння надходять р турбіну компресору 3 де частина їх енергії витрачається на приведення в дію компресора, що нагнітає повітря. Решта енергії газів, що залишилася, перетворюється на механічну роботу обертання вільної або силової турбіни 4, яка через редуктор пов'язана з трансмісією машини. При цьому в турбіні компресора та вільній турбіні відбувається розширення газу зі зменшенням тиску від максимального значення (в камері згоряння) до атмосферного.

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

Тема: ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ.

План лекції:

2. Класифікація ДВЗ.

3. Загальний пристрійДВЗ.

4. Основні поняття та визначення.

5. Палива ДВЗ.

1. Визначення двигунів внутрішнього згоряння.

Двигуни внутрішнього згоряння (ДВС) називають поршневий тепловий двигун, в якому процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її на механічну роботу відбувається безпосередньо в його циліндрі.

2. Класифікація ДВЗ

За способом здійснення робочого циклу ДВЗподіляються на дві великі категорії:

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

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

За способом сумішоутворенняЧотиритактні та двотактні ДВС розрізняють:

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

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

За способом займання горючої сумішірозрізняють:

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

2) ДВЗ із запаленням палива в процесі сумішоутворення від високої температури стиснутого повітря(Дизелі).

На вигляд застосовуваного паливарозрізняють:

1) ДВЗ, що працюють на легкому рідкому паливі (бензині та гасі);

2) ДВЗ, що працюють на важкому рідкому паливі (газойлі та дизельному паливі);

3) ДВЗ, що працюють на газовому паливі (стислий і скраплений газ; газ, що надходить зі спеціальних газогенераторів, в яких при нестачі кисню спалюється тверде паливо - дрова або вугілля).

За способом охолодженнярозрізняють:

1) ДВЗ з рідинним охолодженням;

2) ДВЗ з повітряним охолодженням.

За кількістю та розташуванням циліндріврозрізняють:

1) одне та багатоциліндрові ДВС;

2) однорядні (вертикальні та горизонтальні);

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

За призначеннямрозрізняють:

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

2) стаціонарні;

3) спеціальні ДВС, які грають зазвичай допоміжну роль.

3. Загальний пристрій ДВЗ

Широко використовуються в сучасній техніці ДВС складаються з двох основних механізмів: кривошипно-шатунного та газорозподільного; та п'яти систем: системи живлення, охолодження, мастила, пуску та запалювання (у карбюраторних, газових та двигунах із уприскуванням легкого палива).

Кривошипно-шатунний механізмпризначений для сприйняття тиску газів та перетворення прямолінійного руху поршня у обертальний рух колінчастого валу.

Механізм газорозподілупризначений для заповнення циліндра горючою сумішшю або повітрям та для очищення циліндра від продуктів згоряння.

Механізм газорозподілу чотиритактних двигунів складається з впускного та випускного клапанів, що приводяться в дію розподільчим (кулачковим валом, який через блок шестерень приводиться у обертання від колінчастого валу. Швидкість обертання розподільчого валуудвічі менше швидкості обертання колінчастого валу.

Механізм газорозподілудвотактних двигунів як правило виконаний у вигляді двох поперечних щілин (отворів) в циліндрі: випускний і впускний, що відкриваються послідовно в кінці робочого ходу поршня.

Система живленняпризначена для приготування та подачі в запоршневий простір горючої суміші потрібної якості (карбюраторні та газові двигуни) або порцій розпорошеного палива у певний момент (дизелі).

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

У газових двигунах повітря та горючий газ змішуються у спеціальних змішувачах.

У дизельних двигунахі ДВС з уприскуванням легкого палива подача палива в циліндр здійснюється в певний момент, як правило, за допомогою плунжерного насоса.

Система охолодженняпризначена для примусового відведення тепла від нагрітих деталей: блоку циліндрів, головки блоку циліндрів та ін. Залежно від виду речовини, що відводить тепло, розрізняють рідинні та повітряні системиохолодження.

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

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

Система змащенняслужить для безперервного підведення мастила до вузлів тертя.

Система пускупризначена для швидкого і надійного пуску двигуна і є 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, що створюється у свічці запалювання, вкрученою в головку циліндра двигуна.

4. Основні поняття та визначення

Верхньою мертвою точкою– ВМТ називають положення поршня, найбільш віддалене від осі колінчастого валу.

Нижньою мертвою точкою– НМТ називають положення поршня, найменш віддалене від осі колінчастого валу.

У мертвих точках швидкість поршня дорівнює, т.к. у них змінюється напрямок руху поршня.

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

Об'єм порожнини циліндра при знаходженні поршня в НМТ називають повним обсягомциліндра і позначають.

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

Ступінь стиснення показує скільки разів зменшується обсяг запоршневого простору при переміщенні поршня з НМТ в ВМТ. Як буде показано надалі ступінь стиснення значною мірою визначає економічність (ККД) будь-якого ДВЗ.

Графічна залежність тиску газів у запоршневому просторі від об'єму запоршневого простору, переміщення поршня або кута повороту колінчастого валу носить назву індикаторної діаграми двигуна.

5. Палива ДВЗ

5.1. Паливо для карбюраторних двигунів

У карбюраторних двигунах як паливо застосовують бензин. Основний тепловий показник бензину – його нижча теплота згоряння (близько 44 МДж/кг). Якість бензину оцінюють за його основними експлуатаційно-технічними властивостями: випаровуваності, антидетонаційної стійкості, термоокислювальної стабільності, відсутності механічних домішок та води, стабільності при зберіганні та транспортуванні.

Випаровуваність бензину характеризує здатність його переходити з рідкої фази в парову. Випарюваність бензину визначають за його фракційним складом, який знаходиться його розгонкою за різної температури. Про випаровування бензину судять за температурами википання 10, 50 та 90% бензину. Приміром, температура википання 10% бензину характеризує його пускові якості. Чим більша випаровуваність при малих температурах, тим краща якістьбензину.

Бензини мають різну антидетонаційну стійкість, тобто. різну схильність до детонації. Антидетонаційна стійкість бензину оцінюється октановим числом (ОЧ), яке чисельно дорівнює відсотковому вмісту за обсягом ізооктану в суміші ізооктану та гептану, різноцінної за детонаційною стійкістю даного палива. ОЧ ізооктану приймають за 100, а гептану – за нуль. Чим вище ОЧ бензину, тим менша його схильність до детонації.

Для підвищення ОЧ до бензину додають етилову рідину, яка складається з тетраетилсвинцю (ТЕС) – антидетонатора та диброметену – виносника. Етилову рідину додають до бензину кількості 0,5-1 см 3 на 1 кг бензину. Бензини з добавкою етилової рідини називають етильованими, вони отруйні, і при їх використанні необхідно дотримуватися запобіжних заходів. Етильований бензин пофарбований у червоно-жовтогарячий або синьо-зелений колір.

Бензин не повинен містити корозійних речовин (сірки, сірчистих сполук, водорозчинних кислот та лугів), оскільки присутність їх призводить до корозії деталей двигуна.

Термоокислювальна стабільність бензину характеризує його стійкість проти смоло- та нагароутворення. Підвищене нагаро- та смолоутворення викликає погіршення відведення теплоти від стінок камери згоряння, зменшення об'єму, камери згоряння та порушення нормальної подачі палива в двигун, що призводить до зниження потужності та економічності двигуна.

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

Стабільність бензину при зберіганні характеризує його здатність зберігати свої початкові фізичні та хімічні властивостіпри зберіганні та транспортуванні.

Автомобільні бензини маркуються буквою А з цифровим індексом, що 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, що є продуктом переробки нафти. Паливо, що використовується в дизельних двигунах, повинно мати такі основні якості: оптимальну в'язкість, низьку температуру застигання, високу схильність до займання, високу термоокислювальну стабільність, високі антикорозійні властивості, відсутність механічних домішок і води, хорошу стабільність при зберіганні і транспортуванні.

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

Схильність палива до займання впливає 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 вмісту за обсягом цетану в суміші цетану і альфаметилнафталіну, рівноцінної по запаленню. Для дизельних палив ЦЧ = 40-60.

Термоокислювальна стабільність дизельного палива характеризує його стійкість проти смоло- та нагароутворення. Підвищене нагаро- та смолоутворення викликає погіршення відведення теплоти від стінок камери згоряння та порушення подачі палива через форсунки у двигун, що призводить до зниження потужності та економічності двигуна.

Дизельне паливо не повинно містити корозійних речовин, так як присутність їх призводить до корозії деталей апаратури палива і двигуна. Дизельне паливо не повинно містити механічних домішок та води. Присутність механічних домішок викликає засмічення фільтрів, паливопроводів, форсунок, каналів паливного насосу, і збільшує знос деталей паливної апаратуридвигуна. Стабільність дизельного палива характеризує його здатність зберігати свої початкові фізичні та 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).

Внутрішнє згоряння. Його пристрій дуже складний, навіть для професіонала.

При купівлі автомобіля спочатку дивляться на властивості двигуна. Ця стаття допоможе розібратися Вам в основних параметрах двигуна.

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

Як розташовані циліндри?

Циліндри можуть розташовуватися двома типами: рядним (послідовним) та V-подібним (дворядним).

При великому куті розвалу суттєво зменшуються динамічні характеристикиале при цьому підвищується інерційність. При малому куті розвалу знижується інерційність та вага, але це призводить до швидкого перегріву.

Опозитний двигун

Є ще й радикальний опозитний двигун, що має кут розвалу 180 градусів. У такому двигуні всі недоліки та переваги максимальні.

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

На оппозитні поршневі двигуни внутрішнього згоряння зменшено вібраційне навантаження і вони повністю збалансовані. Також вони невеликі довжини, ніж однорядні двигуни. Є й недоліки – сама ширина моторного відсіку автомобіля збільшена. Опозитний двигунвстановлюється на автомобілі марок Porsche та Subaru.

Різновиди двигуна – W-подібний

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

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

Двигун W8- Чотирирядний по два циліндри в кожному ряду. У ньому є два балансирні вали, які обертаються швидше за колінчасте в два рази, вони потрібні, щоб врівноважити сили інерції. Цей двигун 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 та 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 л. і в ньому сильний вплив інерційних моментів, що негативно діють на шатуни, зменшили за рахунок збільшення кута розвалу до 90°, і при цьому знизили швидкість поршня до 17,2 м/с. Щоправда, розміри двигуна від цього збільшилися: його довжина дорівнює 710, ширина 767 мм.

І найрідкісніший тип двигуна – це рядно-V-подібний (також званий - VR, дивіться на самому верхньому малюнку праворуч), який являє собою поєднання двох різновидів. У двигунів VR маленький розвал між рядами циліндрів, всього 15 градусів, що дозволило використовувати на них одну загальну головку.

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

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

Найбільш важливі параметри двигуна

Крутний момент. Він створюється двигуном за максимального тягового зусилля. Одиниця виміру – ньют-метри (нм). Крутний момент на пряму впливає "еластичність двигуна "(здатність до розгону на низьких оборотах).

Потужність.Одиниця виміру – кінські сили(К.с.) Від неї залежить час розгону та швидкість авто.
Максимальні обороти колінчастого валу (об/хв). Вказують на кількість обертів, що здатний витримувати двигун без втрати міцності ресурсів. Велика кількість обертів показує різкість та динамічність у характері автомобіля.

Важливі в автомобілі та витратні характеристики

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

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

Особливості двигунів внутрішнього згоряння

Двигуни внутрішнього згоряння належать до найпоширенішого типу теплових двигунів, тобто таких двигунів, у яких теплота, що виділяється при згорянні палива, перетворюється на механічну енергію. Теплові двигуни можуть бути поділені на дві основні групи:

двигуни зовнішнього згоряння - парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга і т. п. З двигунів цієї групи в підручнику розглянуті тільки двигуни Стірлінга, оскільки їх конструкції близькі конструкціям двигунів внутрішнього згоряння;

двигуни внутрішнього згоряння. У двигунах внутрішнього згоряння процеси спалювання палива, виділення теплоти та перетворення частини її у механічну роботу відбуваються безпосередньо всередині двигуна. До таких двигунів відносяться поршневі та комбіновані двигуни, газові турбіни та реактивні двигуни.

Принципові схемидвигунів внутрішнього згоряння показано на рис. 1.

У поршневого двигуна (рис. 1а) основними деталями є: циліндр кришка (головка) циліндра; картер поршень; шатун; колінчастий вал впускні та випускні клапани. Паливо та необхідне для його згоряння повітря вводяться в об'єм циліндра двигуна, обмежений днищем кришки, стінками циліндра та днищем поршня. Гази високої температури і тиску, що утворюються при згорянні, тиснуть на поршень і переміщують його в циліндрі. Поступальний рух поршня через шатун перетворюється на обертальний колінчастим валом, розташований у картері. У зв'язку зі зворотно-поступальним рухом поршня згоряння палива в поршневих двигунах можливе лише періодично послідовними порціями, причому згоряння кожної порції має передувати низку підготовчих процесів.

У газових турбінах (рис. 1 б) спалювання палива відбувається в спеціальній камері згоряння. Паливо подається насосом через форсунку. Повітря, необхідне для горіння, нагнітається в камеру згоряння компресором, встановленим на одному валу з робочим колесом газової турбіни. Продукти згоряння через направляючий апарат надходять у газову турбіну.

Газова турбіна, що має робочі органи у вигляді лопаток спеціального профілю, розташованих на диску і утворюють разом з останнім робоче колесо, що обертається, може працювати з високою частотоюобертання. Застосування в турбіні кількох послідовно розташованих рядів лопаток (багатоступінчасті турбіни) дозволяє повніше використовувати енергію гарячих газів. Однак газові турбіни поки поступаються економічності поршневим двигунам внутрішнього згоряння, особливо при роботі з неповним навантаженням, і, крім того, відрізняються великою теплонапруженістю лопаток робочого колеса, обумовленої їх безперервною роботою в середовищі газів з високою температурою. При зниженні температури газів, що надходять у турбіну, підвищення надійності лопаток зменшується потужність і погіршується економічність турбіни. Газові турбіни широко використовуються як допоміжних агрегатіву поршневих та реактивних двигунах, а також як самостійні силові установки. Застосування жаростійких матеріалів та охолодження лопаток, удосконалення термодинамічних схем газових турбін дозволяють покращити їх показники та розширити сферу використання.

Мал. 1. Схеми двигунів внутрішнього згоряння

У рідинних реактивних двигунах (рис. 1, в) рідке паливо та окислювач тим чи іншим способом (наприклад, насосами) подаються під тиском з баків камеру згоряння. Продукти згоряння розширюються в соплі і витікають у довкілляз великою швидкістю. Випливання газів із сопла є причиною виникнення реактивної тяги двигуна.

Позитивною властивістю реактивних двигунівслід вважати те, що реактивна тяга їх майже залежить від швидкості руху установки, а потужність її зростає зі збільшенням швидкості надходження в двигун повітря, тобто з підвищенням швидкості руху. Цю властивість використовують при застосуванні турбореактивних двигунівв авіації. Основні недоліки реактивних двигунів – відносно низька економічність та порівняно невеликий термін служби.

Комбінованими двигунами внутрішнього згоряння називаються двигуни, що складаються з поршневої частини та кількох компресійних та розширювальних машин (або пристроїв), а також пристроїв для підведення та відведення теплоти, об'єднаних між собою загальним робочим тілом. Як поршневу частину комбінованого двигуна використовується поршневий двигун внутрішнього згоряння.

Енергія в такій установці передається споживачеві валом поршневої частини або валом іншої розширювальної машини або обома валами одночасно. Число компресійних та розширювальних машин, їх типи та конструкції, зв'язок їх з поршневою частиною та між собою визначаються призначенням комбінованого двигуна, його схемою та умовами експлуатації. Найбільш компактні та економічні комбіновані двигуни, в яких продовження розширення випускних газів поршневої частини здійснюється в газовій турбіні, а попереднє стиск свіжого заряду проводиться в відцентровому або осьовому компресорі (останній поки не набув поширення), причому потужність споживачеві зазвичай передається через колінчастий вал поршневої.

Поршневий двигун і газова турбіна у складі комбінованого двигуна вдало доповнюють один одного: у першому найбільш ефективно в механічну роботу перетворюється теплота малих об'ємів газу при високому тиску, а другий найкраще використовується теплота великих обсягів газу при низькому тиску.

Комбінований двигун, одна з найпоширеніших схем якого показана на рис. 2 складається з поршневої частини, в якості якої використовується поршневий двигун внутрішнього згоряння, газової турбіни і компресора. Випускні гази після поршневого двигуна, що мають ще високу температуру і тиск, обертають лопатки робочого колеса газової турбіни, яка передає крутний момент компресору. Компресор засмоктує повітря з атмосфери та під певним тиском нагнітає його в циліндри поршневого двигуна. Збільшення наповнення циліндрів двигуна повітрям шляхом підвищення тиску на впуску називають наддувом. При наддуві щільність повітря підвищується і, отже, збільшується свіжий заряд, що заповнює циліндр під час впуску, порівняно із зарядом повітря у тому двигуні без наддуву.

Для згоряння палива, що вводиться в циліндр, потрібна певна маса повітря (для повного згоряння 1 кг рідкого палива теоретично необхідно близько 15 кг повітря). Тому чим більше повітря надійде в циліндр, тим більше палива можна спалити в ньому, тобто отримати більшу потужність.

Основні переваги комбінованого двигуна - малі об'єм і маса, що припадає на 1 кВт, а також висока економічність, що часто перевершує економічність звичайного поршневого двигуна.

Найбільш економічними є поршневі та комбіновані двигуни внутрішнього згоряння, що отримали широке застосування у транспортній та стаціонарній енергетиці. Вони мають досить великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розміри та масу, високу економічність, їх характеристики добре узгоджуються з характеристиками споживача. Основним недоліком двигунів слід вважати зворотно-поступальний рух поршня, пов'язаний з наявністю кривошипно-шатунного механізму, що ускладнює конструкцію та обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо при значних розмірах двигуна.

Мал. 2. Схема комбінованого двигуна

У підручнику розглядаються поршневі та комбіновані двигуни внутрішнього згоряння, що набули широкого поширення.

Доатегорія: - Пристрій та робота двигуна