Что является основой действия двигателя внутреннего сгорания

Что является основой действия двигателя внутреннего сгорания

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Принято, что идеальный цикл представляет собою совокупность последовательных процессов, совершаемых рабочим телом — идеальным газом — в цилиндре такой же идеальной машины. Эта условность позволяет устанавливать степень приближения цикла действительной машины, независимо от ее конструктивных особенностей, к идеальной.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать по одному из следующих трех циклов: с быстрым, постепенным и смешанным сгоранием.

В первом случае тепло сообщается рабочему телу при постоянном объеме (V=const), во втором — при постоянном давлении (р = const), а смешанный цикл характеризуется подводом тепла к рабочему телу частично при постоянном объеме и переменном давлении, а затем частично при переменном объеме и постоянном давлении.

К характерным особенностям двигателей, работающих со сгоранием при р = const и по смешанному циклу, относятся: высокая степень сжатия (ε = 12 ÷ 20), самовоспламенение топлива в результате высокого сжатия и применение тяжелых сортов топлива.

Все карбюраторные, газовые и газогенераторные двигатели относятся к двигателям быстрого сгорания, так как воспламенение рабочей смеси у них происходит настолько быстро, что поршень не успевает сколько-нибудь существенно переместиться в цилиндре.

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Четырехтактный двигатель низкого сжатия. У четырехтактного двигателя рабочий процесс, как указывалось, происходит за четыре хода поршня, или, что то же, за два оборота коленчатого вала. Чтобы наглядно представить характер протекания процессов в рабочем цилиндре, пользуются индикаторной диаграммой, построенной в координатах давление — объем, характеризующих состояние газа в каждой точке объема цилиндра.

I такт — всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается, в результате чего в цилиндре образуется разрежение. Горючая смесь через открытый всасывающий клапан заполняет цилиндр. Давление газов при всасывании ниже атмосферного, что объясняется сопротивлением карбюратора и впускного трубопровода, и составляет 0,8-0,9 бар. Температура смеси в конце такта будет примерно на 20-30° С больше температуры окружающего воздуха.

На индикаторной диаграмме процесс всасывания изображается линией ab (рис. 2).

II такт — сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. при закрытых всех клапанах. Давление внутри цилиндра повышается до 6-12 бар, а температура смеси достигает 300-400° С.

На индикаторной диаграмме процесс сжатия изображается линией bс.

В карбюраторных двигателях воспламенение горючей смеси происходит при помощи электрической искры; в этом случае высокого сжатия не требуется, так как повышение степени сжатия горючей смеси может даже привести к ее преждевременному воспламенению или самовоспламенению, что вредно отражается на работе двигателя.

III такт — рабочий ход. Горючая смесь в цилиндре, как указывалось, воспламеняется электрической искрой и, сгорая, выделяет большое количество тепла. Сгорание происходит при постоянном объеме.

На индикаторной диаграмме процесс сгорания изобразится линией cz.

В конце сгорания температура газов в цилиндре в зависимости от нагрузки возрастает до 1800° С, а давление — до 40 бар и выше. Под действием давления расширяющихся газов поршень движется к н. м. т. При этом давление газов в цилиндре падает до 4,5 бар, а температура снижается до 1150-1450° С.

На индикаторной диаграмме рабочий ход изображается линией zd.

IV такт — выпуск. После расширения газов поршень движется к в. м. т. Через открытый выпускной клапан из цилиндра удаляются отработавшие газы. В среднем давление газов при выпуске равно 1,2 бар, температура — около 500° С.

На индикаторной диаграмме выпуск характеризуется линией da.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Таким образом, из четырех тактов цикла лишь один является рабочим, а остальные три — вспомогательными.

Двухтактный двигатель. В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала. Наполнение цилин­дра горючей смесью, сжатие и сгорание ее, а также расширение и выпуск газов происходят за два хода поршня. При этом выпуск продуктов сгорания и зарядка горючей смесью совершаются лишь на некоторой части рабочего хода поршня. На рис. 3 показана нижняя часть индикаторной диаграммы и схема двухтактного дви­гателя с кривошипо-камерной продувкой.

Во время хода поршня на участке Нп’ от н. м. т. к в. м. т. в цилиндре происходит продувка и зарядка цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление отработавших газов; затем на участке п’b‘ продолжается выпуск газов, после чего начинается сжатие горючей смеси (у карбюраторных двигателей) или воздуха (у дизелей) с последующим воспламенением горючей смеси. В картере в этот период происходит всасывание горючей смеси или воздуха через клапан 5.

При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. в цилиндре вначале происходит сгорание горючей смеси и расширение продуктов сгорания, а затем выпуск отработавших газов (участок bпН) и продувка (участок пН). В картере в этот период осуществляется сжатие и перепуск горючей смеси или воздуха в цилиндр.

Для обеспечения своевременного поступления в цилиндр горю­чей смеси и выхода отработавших газов в двухтактных двигателях применяются два типа газораспределительных механизмов: контурный (петлевой) с щелевым распределением (рис. 4) и прямоточный с клапанно-щелевым распределением, или прямоточно-щелевой (рис. 5).

При прямоточной продувке продувочный воздух движется только в одном направлении (снизу вверх или сверху вниз) от .впускных к выпускным окнам (или выпускным клапанам).

При клапанно-щелевом распределении отработавшие газы удаляются через один или несколько выпускных клапанов, расположенных в крышке рабочего цилиндра; открытие и закрытие клапанов производится специальным механизмом. Продувочный воздух поступает через расположенные равномерно по всей окружности цилиндра окна, которые открываются при приближении поршня к н. м. т. Продувочный воздух движется снизу вверх от окон к клапанам, вытесняя отработавшие газы.

Прямоточные типы продувок обеспечивают наилучшую очистку и наполнение рабочего цилиндра двигателя.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля, работающего по смешанному циклу, изображена на рис. 6.

Четырехтактный дизель. К дизелям относятся двигатели высокого сжатия с самовоспламенением топлива.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис. 7) осуществляется в такой последовательности:

I такт — всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. при открытом всасывающем клапане. В цилиндр при этом засасывается воздух из атмосферы. Давление воздуха в конце такта всасывания достигает 0,85-0,90 бар. Температура воздуха в конце такта будет примерно на 20-30° выше температуры окружающей среды.

На индикаторных диаграммах (рис. 8 и 9) процесс всасывания изображается линией аb.

II такт — сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. при закрытых клапанах рабочего цилиндра. Воздух сжимается до давления 28-40 бар, причем температура его повышается до 550-600° С, т. е. до температуры самовоспламенения тяжелого жидкого топлива.

На индикаторных диаграммах сжатие изображается линией bс.

Сгорание топлива у компрессорных дизелей проходит при по­стоянном давлении (рис. 8), у бескомпрессорных дизелей (рис. 9) — по смешанному циклу (при р и V = const).

Образующиеся при этом газы достигают давление в 40-80 бар при температуре до 1800 °С. Поршень, перемещаясь вниз, осу­ществляет рабочий ход.

В конце такта расширения давление снижается до 2,5-4,5 бар при температуре газов — до 600-700° С.

На индикаторных диаграммах рабочий ход изображается ли­ниями czd (рис. 8) и zz 1 d (рис. 9).

IV такт — выпуск. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т., выталкивая отработавшие газы из цилиндра через открытый вы­пускной клапан. Давление отработавших газов будет порядка 1,1-1,2 бар, а температура — 400-550° С.

На индикаторных диаграммах выпуск отработавших газов изображается линией da.

После этого рабочий цикл повторяется.

В двигателях для лучшей очистки цилиндра от продуктов сго­рания и наиболее полного заполнения его воздухом несколько уве­личивают продолжительность процессов впуска и очистки цилин­дров, в связи с чем открытие всасывающих и выпускных клапанов производится до мертвой точки (с опережением), а закрытие — за мертвой точкой (с запаздыванием). Для большей надежности и эффективности сгорания топлива его воспламенение осуществляется до мертвой точки (с опережением).

Фазы газораспределения, т. е. моменты откры­тия и закрытия всасывающих и выпускных клапанов и моменты подачи топлива, выражаются в градусах поворота коленчатого вала и обычно изображаются в виде круговой диаграммы (рис. 10 и 11).

Билет № 7. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Объяснение его устройства и действия по модели или таблице. Применение двигателей внутреннего сгорания.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

Двигатель внутреннего сгорания – очень распространённый вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. Самое широкое применение – в автомобилях.

ДВС работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Простейшая модель ДВС.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединенный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выпускается отработавшиеся газы.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600-1800 о С. Давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу.

Рассмотрим схему работы двигателя:

Один рабочий цикл происходит за четыре такта или хода поршня. Поэтому такие двигатели часто называют четырехтактными. Один ход поршня совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Первый такт:Поршень двигается вниз. Объем над поршнем увеличивается. В цилиндре создается разрежение. Открывается клапан 1, в цилиндр входит горючая смесь. Цилиндр заполняется горючей смесью, клапан 1 закрывается.

Второй такт:Поршень двигается вверх, сжимает горючую смесь. Сжатая горючая жидкость воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Третий такт (рабочий ход):Газы давят на поршень и толкают его вниз. Под действием нагретых расширяющихся газов двигатель совершает работу. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатого валу с маховиком.

*Второй и третий такт происходит при закрытых клапанах.

Четвертый такт:в конце 3 такта клапан 2 открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта клапан 2 закрывается.

Мёртвые точки – крайние положения поршня в цилиндре.

Ход поршня – это расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой.

Такт-это один ход поршня, равен половине оборота коленвала.

Устройство и теория двигателя внутреннего сгорания

Автомобильные двигатели различают:

• по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели);
• по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе);
• по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением;
• расположению цилиндров — рядные и V-образные;
• по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).

Бензиновые – двигатели, работающие на бензине, с принудительным зажиганием. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные и инжекторные системы питания. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.

Дизельные — двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.

Газовые — двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и не будем их рассматривать. Однако, если переоборудовали машину «на газ», то советую изучить статью «Газобаллонное оборудование».

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания:

• кривошипно-шатунный механизм;
• газораспределительный механизм;
• система питания (топливная);
• система выпуска отработавших газов;
• система зажигания;
• система охлаждения;
• система смазки.

УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Для начала, возьмем простейший одноцилиндровый двигатель и разберемся с его устройством и работой. Рассмотрим протекающие в нем процессы, и выясним откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.

Одна из основных деталей двигателя — цилиндр 6, в котором находится поршень 7, соединенный через шатун 9 с коленчатым валом 12. При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз его прямолинейное движение шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик 10, который необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 5 и выпускной клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала 14 через передаточные детали 15. Распределительный вал приводится во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения.

Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — это крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — это крайнее нижнее положение поршня.

Ход поршня — это расстояние, пройденное от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на полоборота.

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — это пространство, освобождаемое поршнем при перемещение его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. При малых объемах (до 1 л.) его выражают в кубических сантиметрах, а при больших — в литрах.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема.

Степень сжатия — это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В бензиновых двигателях степень сжатия бывает от 8 до 12, а в дизелях — от 14 до 18. Степень сжатия не стоит путать с компрессией, т.к. это два разных понятия.

Такт — процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).

При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя: а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск.

Двигатель внутреннего сгорания

Для того, чтобы правильно понимать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, нужно еще и разбираться, что там к чему, нужно иметь представление об основных элементах, а также строении этого агрегата.

В устройстве такого двигателя основным элементом является поршень, его изготавливают из металла, он имеет вид стакана с пустотелым сферическим дном, это дно — головка, располагается вверх. Этими стенками поршень двигается в корпусе двигателя, создавая давление, необходимое для правильной работы мотора, это давление должно быть постоянным, и не меняться во время работы. Под действием давления происходит сгорание смеси воздуха и бензина, которое подается в полость двигателя, так что герметичность этого элемента должна быть стопроцентной, иначе работа мотора будет нарушена.

На юбке поршня находятся две канавки, в которые вставляются поршневые кольца, это не менее важные элементы в работе мотора, так как именно благодаря ним происходит два основных момента в моторе, создание компрессии и предотвращение попадания масла в полость сгорания. Нижние кольца называются маслосъемными, то есть служат для съема остатков масла, необходимого для плавного хода поршня, съем масла происходит в обратном направлении от полости сгорания. Верхние кольца предназначены для того, чтобы давление при ходе поршня не сбрасывалось через щели в корпусе, при правильной подгонке и притирке колец к корпусу, их функции выполняются в полном объеме.

Когда человек садится за руль автомобиля, включает зажигание, мотор начинает работать, из карбюратора или инжектора попадает топливо в камеру сгорания, эта смесь от поднятия поршня вверх сжимается до предела, поднятие поршня освобождает отверстие, в которое вкручена свеча системы зажигания. Искра от свечи воспламеняет топливную смесь и при сгорании объем резко увеличивается, что создает огромное давление и толкает поршень вниз, таким образом, энергия из тепловой преобразуется в энергию поступательного движения. Так и происходит движение поршня вверх и вниз. В дизельных моторах свечи зажигания нет, а смесь дизельного топлива возгорается самопроизвольно от резкого изменения давления внутри камеры с поршнями.

Следующим этапом преобразования энергии в двигателе внутреннего сгорания становится превращение поступательного движения поршня во вращательное движения приводного вала, это процесс не менее сложный, чем сгорание топлива внутри мотора. Система представляет собой обычный кривошипно-шатунный механизм, который всем известен из теоретической механики. На верхней части юбки находится отверстие для пальца, которым соединяется верхняя часть шатуна с поршнем двигателя, шатун зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленчатый вал установлен в подшипниковых опорах, находящихся в картере мотора, когда шатуны начинают двигаться, они вращают коленчатый вал, передавая крутящий момент на приводные колеса. Но переход на колеса происходит не сразу, так как его еще нужно немного усилить или ускорить, с чем прекрасно справляется коробка скоростей, работающая от набора шестерен различного диаметра и с различным передаточным числом. Вращение передается через систему трансмиссионных и промежуточных валов.