Лекція №2 Загальна будова двигунів внутрішнього згоряння (двз)

1. Визначення та класифікація двигунів тракторів і автомобілів.

2. Основні механізми і системи ДВЗ.

3. Індикаторні діаграми.

4. Порівняння дизельних і карбюраторних двигунів.

1. Двигун – енергосилова машина, яка перетворює будь-який вид енергії в механічну роботу. В більшості на сучасних автомобілях і тракторах встановлюють теплові двигуни, які називаються двигунами внутрішнього згоряння. В них теплота, яка виділяється при згорянні палива в циліндрах, перетворюється в механічну роботу.

Залежно від призначення двигуни поділяються на стаціонарні (для електростанцій, насосів, компресорів та інших установок) та транспортні (автомобільні, тракторні, авіаційні, судові тощо).

За способом перетворення теплової енергії у механічну роботу розрізняють:

а) двигуни внутрішнього згоряння – поршневі й роторно-поршневі, у яких процеси згоряння та перетворення теплової енергії в механічну роботу відбуваються у внутрішньоциліндровому об’ємі (в надпоршневому просторі);

б) двигуни із зовнішнім підводом теплоти: газотурбінні, у яких процеси згоряння відбуваються в окремій камері (камері згоряння). Утворене при цьому робоче тіло /продукти згоряння/ надходить на лопатки колеса турбіни, де здійснює роботу.

За конструкцією двигуни поділяються на поршневі й роторні; роторні, в свою чергу – на газотурбінні й роторно-поршневі.

Найбільш поширеними двигунами на автомобілях і тракторах є поршневі двигуни внутрішнього згоряння (рис. 9), які класифікуються за такими ознаками:

за способом виконання робочого циклу – чотири- і двотактні;

за способом утворення суміші – із зовнішнім утворенням (карбюраторні або газові) і з внутрішнім утворенням суміші (дизелі та двигуни з впорскуванням бензину безпосередньо в циліндри);

за способом запалення робочої суміші – з примусовим запаленням від електричної іскри (бензинові, газові та ін.) і з запаленням від стиснення (дизелі та газодизелі);

за видом використовуваного палива – рідинні, газові, газорідинні, багатопаливні;

за числом циліндрів – одно-, дво- і багатоциліндрові (три-, чотири-, шести-, восьмициліндрові тощо);

за розташуванням циліндрів – однорядні з вертикальним розташуванням циліндрів в один ряд та однорядні з похилим розташуванням осі циліндрів від вертикалі на 20...40°; дворядні – з розташуванням циліндрів під кутом 67...90° (V-подібні) і з протилежним, горизонтальним розташуванням циліндрів;

за способом наповнення циліндрів свіжим зарядом – двигуни без наддуву, в яких наповнення створюється за рахунок розрідження, що виникає в циліндрі під час русу поршня від ВМТ до НМТ, і з наддувом – наповнення циліндрів свіжим зарядом проходить під тиском, який створюється компресором;

за способом регулювання потужності – з якісним і кількісним регулюванням;

за робочим об’ємом циліндрів – мікролітражні, малолітражні, середньолітражні і великого літражу;

за охолодженням – з рідинним або повітряним охолодженням;

за відношенням ходу поршня до діаметра циліндра S/D – короткохідні та довгохідні;

за ступенем швидкості – тихохідні (з середньою швидкістю поршня до 10 м/с); швидкохідні (з середньою швидкістю понад 10 м/с).

У поршневих двигунах гази, які розширюються під час згоряння палива, переміщають поршень, зворотно-поступальний рух якого перетворюється в обертовий рух колінчастого вала.

Найбільш поширеними поршневими ДВЗ є карбюраторні, які працюють на бензині, на стиснутому або розрідженому газах. У цих двигунах суміш утворюється поза циліндрами в спеціальному приладі – карбюраторі, а запалюється в циліндрі електричною іскрою.

У дизельних ДВЗ суміш утворюється у процесі впорскування палива в циліндр, а потім запалюється під дією високої температури, яка утворюється під час впорскування у камеру згоряння дизельного палива під високим тиском ≈ 16 МПа.

У роторних двигунах гази, що розширились під час згоряння палива, діють на деталь, яка обертається, – ротор.

На мобільні машини лісогосподарського призначення встановлюють поршневі двигуни внутрішнього згоряння.

2. Залежно від призначення конструкція автотракторних поршневих двигунів має різну складність, але всі вони подібні за своєю принциповою схемою. Поршневий двигун внутрішнього згоряння є сукупністю механізмів і систем, які виконують відповідні функції. Основні механізми і системи ДВЗ:

а) кривошипно-шатунний механізм служить для перетворення прямолінійного поступального руху поршня в обертальний рух колінчастого вала;

б) механізм газорозподілу призначений для впуску в циліндр робочої суміші або повітря і випуску з циліндра відпрацьованих газів;

в) система мащення – служить для подачі мастила до деталей з метою зменшення тертя і покращення відведення тепла;

г) система охолодження забезпечує відведення тепла від нагрітих деталей в атмосферу. Вона може бути рідинною або повітряною.

д) система живлення – служить для приготування горючої суміші і підведення її до циліндрів (у карбюраторів) або для подачі палива в циліндри і наповнення їх повітрям (у дизелів). Система живлення карбюраторних бензинових і газових двигунів складається з паливного бака, паливопроводів, підкачуючої помпи, карбюратора (або змішувача). У систему живлення дизельних двигунів входять аналогічні деталі і прилади лише за різниці, що у них відсутній карбюратор і є у наявності паливний насос і форсунки;

е) регулятор швидкості – це пристрій, який автоматично підтримує заданий швидкісний режим (частоту обертання колінчатого валу) двигуна при зміні навантажень;

ж) система вентиляції картера – призначена для врівноваження тиску між внутрішньою порожниною картера, де розміщене мастило.

з) система запалювання – призначена для запалювання горючої суміші від електричної іскри (у дизельних двигунів система запалювання відсутня);

и) система пуску призначена для запуску головного двигуна.

Основні поняття і визначення роботи двигуна:

- верхня мертва точка (в.м.т.) – це положення поршня в циліндрі, при якому відстань від поршня до осі колінчастого вала двигуна буде найбільша (рис. 10);

Рис. 10. Основні розміри двигуна внутрішнього згорання

- нижня мертва точка (н.м.т.) – це положення поршня в циліндрі, при якому відстань від поршня до вісі колінчастого вала буде найменшою;

- відстань між в.м.т. і н.м.т. по осі циліндра називається ходом поршня S. Під час кожного ходу поршня колінчастий вал повертається на половину оберта, що дорівнює 180⁰. У центрального кривошипно-шатунного механізму хід поршня становить: S =2r, де r-радіус кривошипа колінчастого вала.

- об’єм V_h (m³), що звільняється поршнем при переміщенні від в.м.т. до н.м.т. називається робочим об’ємом циліндра:

V_h= (πd²)S/4, (2.1)

де d – діаметр циліндра, м ;

S – хід поршня, м.

- об’єм V_c над поршнем, коли поршень знаходиться у в.м.т. називається об’ємом простору стиску (камера стиску);

- сума об’ємів простору стиску і робочого об’єму, тобто об’єм V_a над поршнем коли він знаходиться у н.м.т. називається повним об’ємом циліндра:

V_a = V_h+V_c. (2.2)

- літражем двигуна V_л називається сума робочих об’ємів всіх його циліндрів, виражених у літрах:

V_л = 0.001 V_hі , (2.3)

де і-число циліндрів.

- відношення повного об’єму циліндра до об’єму простору стиску називається ступенем стиску:

 =V_a/V_c= (V_h+V_c)/V_c = V_h/V_c +1. (2.4)

Ступінь стиску показує у скільки разів повний об’єм циліндра більший від об’єму камери стиску.

- комплекс послідовних процесів (впуск, стиск, згорання, розширення і випуск), які періодично повторюються кожному циліндрі і обумовлюють роботу двигуна, називається робочим циклом двигуна;

- частина робочого циклу, який проходить за час руху поршня від однієї мертвої точки до другої, називається тактом.

У 4-х тактному двигуні робочий цикл завершується за два оберти колінчастого вала а у 2-х тактному – за один оберт колінчастого вала (за два ходи поршня).

3. Робота двигуна за один цикл визначається за індикаторною діаграмою, яка є графіком залежності тиску газу в циліндрі від об’єму, що змінюється під час переміщення поршня (координати p-V). Індикаторна діаграма може бути побудована розрахунковим шляхом, або знята на працюючому двигуні спеціальним приладом – індикатором. Цикли двигунів внутрішнього згоряння розрізняють за способом підведення теплоти:

-цикл з підведенням теплоти при постійному об’ємі;

-цикл з підведенням теплоти при постійному тиску;

-цикл із змішаним підведенням теплоти (частина теплоти підводиться припостійному об’ємі, а інша кількість – при постійному тиску).

У двигунах внутрішнього згоряння вітчизняних тракторів і автомобілів використовують цикл з підведенням теплоти при постійному об’ємі (карбюраторні двигуни) або змішаний цикл (безкомпресійні дизелі).

У карбюраторному двигуні паливо згоряє при постійному об’ємі. Його роботу відображає індикаторна діаграма на рис. 11. При обертанні колінчастого вала поршень рухається від в.м.т. до н.м.т., створююючи розрідження в циліндрі (крива ro). В результаті чого в циліндр поступає свіжий заряд горючої суміші. Далі відбувається зворотній рух поршня від н.м.т. до в.м.т. (крива осz). Заряд стискається, в точці с відбувається його запалювання. Тиск зростає до максимального значення P_z .

Рис. 11. Індикаторна діаграма чотирьохтактного двигуна

Корисну роботу двигуна характеризує крива zb (такт розширення). Поршень при цьому рухається за рахунок тиску газів від в.м.т. до н.м.т. Останній хід поршня (крива br) від н.м.т. до в.м.т – відповідає такту випуску відпрацьованих газів.

Аналогічно карбюраторному працює і дизельний двигун. Відмінність роботи якого полягає лише у наступному. Спочатку циліндр дизеля заповнюється повітрям взамін горючої суміші. Після стиску повітря, воно нагрівається і тиск значно зростає. В кінці такту стиску в цилінр вприскується рідке паливо,яке нагрівається від контакту з гарячим повітрям і самозагоряється.

Особливості двохтактних двигунів показано за допомогою індикаторної діаграми на рис. 12. Двохтактні двигуни можуть бути як карбюраторні, так і дизельні. Загальним для всіх типів двохтактних двигунів є використання потоку свіжого заряду або повітря для видалення відпрацьованих газів із циліндра. Це явище називають – продувкою, яку виконують різними способами.

Як правило, при переміщені поршня від н.м. т. до в.м.т. свіжий заряд (повітря) стискається в надпоршневому просторі (крива aa¹fcz) і одночасно ще одна порція свіжого заряду, за рахунок розрідження, подається у підциліндровий простір (картер). При наступному русі поршня від в.м.т. до н.м.т. відбувається корисна робота (такт розширення – крива zba), видалення відпрацьованих газів, а також переміщення свіжого заряду з підпоршневого простору в надпоршневий (продувка).

Рис. 12. Індикаторна діаграма двохтактного двигуна

Для переміщення свіжого заряду, відпрацьованих газів, конструкція такого двигуна передбачає впускне, випускне і продувочне вікна. В окремих випадках може бути також випускний клапан.

4. Дизельний двигун порівняно з карбюраторним має такі основні переваги:

- на одиницю виконаної роботи витрачають в середньому на 20…25% (по масі) менше палива за рахунок більш високого ступеня стиску.

- працює на важких сортах палива, яке дешевше і менш безпечне в пожежному відношенні.

Разом з тим дизелю характерні деякі недоліки:

- більш високий тиск газів в циліндрі вимагає збільшення міцності окремих деталей, що приводить до зростання маси двигуна загалом;

- процес пуску дизеля більш складніший і важчий, особливо в зимовий час.

Для дизельних двигунів характерні наступні параметри:

- для такту впуску розрідження повітря сягає 0.08 – 0.085 Мпа;

- при такті стиску його температура піднімається до 650С.

Під кінець такту стиску в циліндр вприскується розпилене паливо під тиском 140 Мпа де самозагоряється і горить упродовж всього робочого циклу двигуна (вприск продовжується до т. Z).

Порівняння двох і чотирьохтактних двигунів дозволяє зробити наступні висновки:

- потужність двохтактних двигунів перевищує 60-70% потужністю чотирьохтактного за інших рівних умов за рахунок збільшення кількості тактів корисної роботи (тактів розширення);

- робота двохтактних двигунів більш рівномірна;

- простіші в конструктивному і в експлуатаційному відношеннях;

- за економічними показниками двохтактні двигуни значно поступаються чотирьохтактним (втрати палива у карбюраторних зростають до 30%).

Одноциліндрові двигуни незважаючи на наявність маховика працюють не ритмічно, що призводить до зносу деталей, через коливання. Одноциліндровий двигун має погану приємистість, тому на трактори і автомобілі встановлюють багатоциліндрові двигуни, у яких за один оберт колінчастого вала такт розширення (який впливає на ритмічність роботи двигуна) повторюється частіше.