Двигун внутрішнього згоряння

Принцип дії поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Основні

27.08.2015

Принцип дії поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Основні поняття

В даний час на ТС застосовуються переважно чотиритактні поршневі ДВС.

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

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

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

Рис. Принципова схема (а) одноциліндрового чотиритактного поршневого двигуна внутрішнього згоряння і його схема (б) для визначення параметрів:

1 — колінчастий вал; 2 — картер; 3 — шатун; 4 — циліндр; 5 — поршневий палець; 6 — поршень; 7 — впускний клапан; 8 — впускний трубопровід; 9 — розподільний вал; 10 — свічка запалювання (бензинові та газові двигуни) або паливна форсунка (дизелі); 11 — випускний трубопровід; 12 — випускний, клапан; 13 — поршневі кільця; 14 — маховик; D — діаметр циліндра; r — радіус кривошипа; S — хід поршня

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

де r — радіус кривошипа колінчастого валу.

Ходом поршня і циліндра діаметром D визначаються основні розміри двигуна. У транспортних двигунах відношення S/D становить 0,7 -1,5. При S/D 1 — длинноходным.

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

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

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

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

Розглянемо робочий цикл бензинового двигуна.

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

Наступний такт — стиснення. Поршень переміщається назад з НМТ до ВМТ, стискаючи робочу суміш. Це необхідно для більш швидкого і повного згорання. Впускний і випускний клапани закриті. Ступінь стиснення робочої суміші під час такту стиснення залежить від властивостей застосовуваного бензину, і в першу чергу від його антидетонаційній стійкості, характеризується октановим числом (у бензинів воно становить 76 — 98). Потім робочий цикл повторюється.

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

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

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

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

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 з ладу сам двигун і деталі його кріплення. Тому одноциліндрові двигуни застосовуються рідко, в основному на двоколісних ТЗ. На інших машинах встановлюють багатоциліндрові двигуни, які забезпечують більш рівномірне обертання колінчастого вала за рахунок того, що робочий хід поршня в різних циліндрах відбувається неодночасно. Найбільш широке поширення одержали чотири-, шести-, восьми — і дванадцятициліндровий двигуни, хоча на деяких МС використовуються також трьох — і пятицилиндровые.

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

Рівномірна робота многоцилиндрового двигуна досягається в тому випадку, якщо чергування робочого ходу в його циліндрах відбувається через рівні кути повороту колінчастого валу. Кутовий інтервал, через який будуть рівномірно повторюватися однойменні такти в різних циліндрах, можна визначити діленням 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 в різних циліндрах називається порядком роботи двигуна. Порядок роботи повинен бути таким, щоб найбільшою мірою зменшити негативний вплив на роботу двигуна, інерційних сил і моментів, що виникають із-за того, що поршні рухаються в циліндрах нерівномірно і їх прискорення змінюється за величиною і напрямком. У чотирициліндрових рядних і V-подібних двигунів порядок роботи може бути такою: 1 — 2 — 4 — 3 або 1 — 3 — 4-2 у рядних шестициліндрових і V-подібних двигунів — відповідно 1 — 5-3 — 6 — 2-4 і 1 — 4 — 2 — 5 — 3 — 6, а у восьмицилиндровых V-образних двигунів— 1 — 5 — 4 — 2— 6 — 3 — 7 — 8.

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

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

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

Рис. Кругова діаграма фаз газорозподілу чотиритактного двигуна:

а — кут випередження відкриття впускного клапана; р — кут запізнення закриття впускного клапана; в — кут випередження відкриття випускного клапана; б — кут запізнювання закриття випускного клапана

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

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

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

Рис. Принципова схема газотурбінного двигуна:

1 — компресор; 2 — камера згоряння; 3 — турбіна компресора; 4 — силова турбіна; М — обертаючий момент, що передається до трансмісії машини

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

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

Короткий опис статті: двигун внутрішнього згоряння Двигун

Джерело: Принцип дії поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Основні поняття

Також ви можете прочитати