Общее устройство и основные параметры двигателя внутреннего сгорания.

Общее устройство и основные параметры двигателя внутреннего сгорания

Классификация, основные параметры, механизмы и системы двигателя

Двигатели, установленные на большинстве автотранспортных средств, называются двигателями внутреннего сгорания, потому что процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превра­щения ее в механическую работу происходит непосредственно в его цилиндрах.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют по различ­ным признакам.

По способу смесеобразования различают двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых горю­чая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутрен­ним смесеобразованием (дизели), у которых рабочая смесь обра­зуется внутри цилиндров.

По способу выполнения рабочего цикла двигатели подразделяют­ся на двух- и четырехтактные.

По числу цилиндров двигатели подразделяются на одно-, двух и многоцилиндровые.

По расположению цилиндров различают двигатели |с вертикаль­ным или наклонным расположением цилиндров в один ряд и V-образные двигатели с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180° двигатель называют оппозитным, или двигателем с противолежащими цилиндрами).

По способу охлаждения различают двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.

По виду применяемого топлива двигатели подразделяются на бензиновые (карбюраторные, газовые), дизельные и многотоп­ливные.

В зависимости от вида применяемого топлива способы воспла­менения рабочей смеси в двигателях различны. В карбюраторных двигателях смесь, приготовленная из паров бензина и воздуха, и в газовых двигателях смесь, состоящая из сжатого или сжиженно­го горючего газа и воздуха, воспламеняются электрической ис­крой. В дизелях мелкораспыленное дизельное топливо, впрыскнутое в цилиндры, самовоспламеняется под действием высокой тем­пературы сжатого воздуха без постороннего источника зажигания. В многотопливных двигателях (ЗИЛ-645), конструкции которых позволяют использовать дизельное топливо, бензин и другие виды топлива, воспламенение рабочей смеси происходит так же, как и в дизелях, — от сильно нагретого воздуха вследствие высокой сте­пени его сжатия.

Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов и сис­тем, общее устройство и принцип работы которых рассмотрен на примере четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного дви­гателя (рис. 1.1). Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также система питания, смазочная система и системы охлажде­ния и зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное дви­жение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра 77; головки ци­линдров 6, являющейся крышкой, закрывающей цилиндр сверху; поршня 5 с кольцами 14 и пальцем 16, который соединяет пор­шень с верхней головкой шатуна 18. Нижняя головка шатуна18 соединена с коленчатым валом 21, на заднем конце которого уста­новлен маховик 19. Коленчатый вал вращается в коренных под­шипниках, расположенных в картере 20 двигателя, который сни­зу закрыт поддоном 22, используемым в качестве резервуара для масла.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Этот механизм приводится в действие от коленчатого вала через зубчатые колеса /. При этом распределительный вал 2, воздействуя на толкатели 3, штанги 4 и коромысла 8, открывает впускной //или выпускной 13 клапан, закрытие которых проис­ходит под действием клапанных пружин 9.

Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания из цилиндра. При помощи насоса топливо из топливного бака подается в карбюратор 10, где оно в необходимом соотношении смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, которая затем по впускному газопроводу (показано стрелкой) поступает в ци­линдр двигателя. В систему питания также входят фильтры для очистки воздуха и топлива, выпускной газопровод с глушителем 7 шума выпуска.

Смазочная система обеспечивает подачу масла к взаимодейству­ющим деталям. Она состоит из насоса, маслоподводящих каналов, фильтров для очистки масла и радиатора для его охлаждения.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндропоршневой группы и клапанного механизма. Система охлаждения бывает жидкостной или воздушной. Жидкостная система охлаж­дения состоит из рубашки (полости) 15, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость жидкостного насоса, термостата, вентилятора и радиатора.

При воздушной системе охлаждения заданный температурный режим достигается удалением теплоты от наружных ребер, имею­щихся на цилиндре и его головке, которые при движении авто­мобиля обдуваются встречным потоком воздуха.

Система зажигания предназначена для воспламенения рабо­чей смеси в цилиндре двигателя. Она включает в себя источники электрической энергии (аккумуляторную батарею, генератор); приборы, преобразующие ток низкого напряжения в ток высоко­го напряжения; провода, подводящие ток высокого напряжения к свече зажигания 12, электрическая искра от которой воспламе­няет рабочую смесь.

Взаимодействие механизмов и систем двигателя происходит следующим образом. Когда поршень 5 опускается вниз, горючая смесь через открытый впускной клапан // поступает в цилиндр. При движении поршня вверх она сжимается. Когда поршень до­ходит до крайнего верхнего положения, рабочая смесь воспла­меняется от электрической искры и сгорает. В процессе сгорания образуются газы, имеющие высокую температуру и большое дав­ление. Под действием давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун 18 приводит во вращение колен­чатый вал 21. Таким образом происходит преобразование воз­вратно-поступательного движения поршня во вращательное дви­жение коленчатого вала. Затем поршень движется вверх и вытал­кивает отработавшие газы через открывающийся выпускной кла­пан 13.

Основными конструктивными параметрами двигателя являют­ся диаметр цилиндра, ход поршня и число цилиндров, которые обусловливают его габаритные размеры.

При одном обороте коленчатого вала 3 двигателя (рис. 1) поршень 2 делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение направления движения поршня в цилиндре / происходит в двух крайних точках, называемых мертвыми, так как в них скорость поршня равна нулю.

Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее положение поршня — нижней мертвой точкой (НМТ).

Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называет­ся ходом S поршня, который равен удвоенному радиусу R криво­шипа:

S= 2R.

Следовательно, при перемещении поршня от одной мертвой точки до другой коленчатый вал поворачивается на 180°, т.е. со­вершает пол-оборота.

Рис.  SEQ Рисунок \* ARABIC 1. Схема двигателя для определения его основных параметров:

1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — коленчатый вал; R — радиус кривошипа; S — ход поршня; V_с — объем камеры сгорания; V_а — полный объем цилиндра; V_h — рабочий объем цилиндра; D — диаметр цилинд­ра; ВМТ — верхняя мертвая точка; НМТ — нижняя мертвая точка

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания, объем которой обозначается V_с.Пространство цилиндра между верхней и нижней мертвыми точками называется его рабочим объемом и обозначается V_н. Сумма объема камеры сгорания V_с и рабочего объе­ма V_к цилиндра составляет полный объем цилиндра, обозначае­мый V_а.

Рабочий объем цилиндра измеряется в кубических сантиметрах или литрах и определяется по формуле

V = тгD²S/4, где D— диаметр цилиндра.

Сумма всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называется рабочим объемом V_л двигателя (литражом), который определяется по формуле

V_л = кD²Si/4,

где i — число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра У_а к объему камеры сго­рания У_с называется степенью сжатия е и определяется по формуле

е = (V.+ V)/V = V/V=1 + V/V

Степень сжатия — безразмерная величина. Она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха, нахо­дящихся в цилиндре, при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление рабочей смеси при подходе поршня к ВМТ.

С увеличением степени сжатия повышается коэффициент по­лезного действия (КПД), мощность и топливная экономичность двигателя. Однако повышение степени сжатия карбюраторных и газовых двигателей возможно лишь до определенных пределов, после достижения которых увеличение степени сжатия приводит к преждевременному самовоспламенению рабочей смеси и вызы­вает взрывное сгорание — детонацию топлива, снижающую рабо­тоспособность двигателя.

Различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры самовоспламенения, поэтому вид топлива, на кото­ром работает двигатель, определяет пределы его степени сжатия. У автомобильных двигателей, работающих на бензине (карбюра­торных двигателей), е = 6... 10; у двигателей, работающих на газе, е = 7...9,5; у дизелей е= 14...21. Верхний предел степени сжатия (е = 18...21) для дизелей в основном обусловлен максимальными нагрузками от давления газов на детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов.