Устройство и принципы работы

ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой комплекс механизмов и систем, обеспечивающий преобразование в механическую работу части тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива непосредственно в цилиндрах [4, 6].

В зависимости от назначения и класса двигателей их конструкции имеют различную сложность, но все они состоят из следующих основных частей: цилиндра, крышки (головки) цилиндра, поршня, шатуна, коленчатого вала, маховика и картера и вспомогательных систем. Цилиндр, его крышка, картер и различные вспомогательные корпусные и прочие неподвижные элементы конструкции двигателя жестко скрепляются между собой с помощью резьбовых соединений, а некоторые из них, как картер и цилиндры, в автомобильных двигателях отливаются совместно (рис.9.1.).

2.1. Основные определения

ВМТ (верхняя мертвая точка) и НМТ(нижняя мертвая точка) – положения поршня, при которых расстояния его от оси коленчатого вала максимальное и соответственно минимальное;

Объем, описываемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом V_h. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражем двигателя (л.)

Объем, образующийся в надпоршневой полости при положении поршня в ВМТ, называется объемом камеры сжатия V_c. Сумма рабочего объема цилиндра и объема его камеры сжатия – полный объем цилиндраV_а : V_а=V _h +V_c .

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия: для бензиновых двигателей 6,5 – 11,5; для дизелей ε =11 25. Величина степени сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочего тела в цилиндре при перемещении поршня из нижнего крайнего положения в верхнее.

Рабочий цикл – совокупность процессов, происходящих в цилиндре двигателя в определенной последовательности. Рабочий цикл может осуществляться либо за два оборота коленчатого вала (4-хтактный цикл), либо за один оборот (двухтактный цикл). Рабочий цикл в поршневых двигателях состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

Ход поршня – расстояние между двумя крайними положениями поршня. Ход поршня S и диаметр цилиндра D относятся к главным оценочным параметрамдвигателя, определяющим его размеры. В поршневых двигателях отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) изменяется в пределах от 0,7 до 2,2. Двигатели, у которых S/D <1.0, называют короткоходными.

Такт – процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое.

Принцип работы поршневых двигателей

Внутреннего сгорания

Работа поршневых двигателей внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов при расширении их вследствие нагрева внутри цилиндра. Образующиеся при сгорании топлива газы имеют высокие температуру и давление.При расширении эти газы давят на стенки

1Введите цитату из документа или краткое описание интересного события. Надпись можно поместить в любое место документа. Для изменения форматирования надписи, содержащей броские цитаты, используйте вкладку "Работа с надписями".]

Рис.2.1. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания:

1 –крышка цилиндра; 2 – клапан; 3 – поршень; 4 – шатун;

Картер; 6 - кривошип

цилиндра и донышко поршня. Под действием сил давления газов поршень перемещается к НМТ и через шатун передает эту силу коленчатому валу, и возвратно-поступательное движение поршня превращается во вращательное движение коленчатого вала. Таким образом, в цилиндре двигателя происходят два основных процесса – сгорание смеси и расширение продуктов сгорания, вследствие чего химическая энергия топлива превращается в тепловую и впоследствии частично в механическую работу. Для обеспечения непрерывной работы двигателя его цилиндры должны периодически наполняться свежим зарядом, а продукты сгорания своевременно удаляться из цилиндра; выполняет эти функции газораспределительный механизм.

По месту протекания процесса смесеобразования различают двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Их можно представить в виде схем, приведенных ниже (рис.9.2 и рис.9.3).

При внешнем смесеобразовании процессы испарения бензина и смешивание паров топлива с воздухом начинаются вне цилиндра, и в цилиндры поступает топливовоздушная смесь, которую называют свежим зарядом. Горючая смесь и продукты сгорания, всегда остающиеся в камере сгорания от предыдущего цикла, смешивающиеся между собой, и образуют рабочую смесь. Наличие в рабочей смеси паров бензина накладывает ограничения на величину степени сжатия, так как величина степени сжатия определяет температуру заряда в конце сжатия, а следовательно, и условия воспламенения рабочей смеси. При внутреннем смесеобразовании сжимается воздух и остаточные газы. Поэтому нет ограничений на величину степени сжатия, а ее величина должна быть такой, чтобы в цилиндре к

Рис.2.2. Схема процесса с внешним смесеобразованием

Рис.2.3.Схема процесса с внутренним смесеобразованием

концу сжатия температура заряда была достаточной для надежного воспламенения. Величина этой температуры достигает 700 – 900 К.

ТОПЛИВО

Моторные топлива, применяемые в двигателях внутреннего сгорания должны обладать определенными физико-химическими свойствами, обеспечивающими надежную работу двигателей, высокую топливную экономичность и возможно меньший износ деталей. Топливная экономичность и общий расход топлива, наряду с другими факторами, зависит от теплоты сгорания топлива.

Физико-химические свойства моторных топлив, как правило, регламентируются государственными или отраслевыми стандартами.

Нефтяное топливо представляет собой смесь различных углеводородов и элементарный состав можно представить состоящим из углерода , водорода и растворенного в топливе кислорода. Водород и углерод входят в нефтепродукты в виде химических соединений, главными из которых являются углеводороды – алканы, цикланы, ароматические углеводороды бензольного ряда.

Групповой состав углеводородных соединений определяет физико-химические свойства топлив, предопределяя возможности их использования в определенных типах двигателей.

Для топлив бензиновых двигателей важнейшим показателем является детонационная стойкость.

Антидетонационные свойства топлива оцениваются октановым числом (ОЧ) путем сравнения топлив с эталоном. В качестве эталонов избраны изоктан, октановое число которого принято за 100 единиц и нормальный гептан 0Ч-0 единиц. Октановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. ОЧ современных бензинов изменяется в пределах 70 – 100 единиц.

Важнейшим показателем топлива для дизелей является самовоспламеняемость, которая оценивается цетановым числом – ЦЧ. В качестве эталонов используются цетан с воспламеняемостью 100 единиц и альфа-метил-нафталин, воспламеняемость которого принята за 0 единиц.

Другим важным показателем топлива для дизелей является вязкость, определяемая коэффициентом кинематической вязкости. По этому признаку топлива подразделяется на летнее, зимнее и арктическое, предназначенные для применения в разных климатических условиях.

В качестве газообразного топлива используются природные сжатые и сжиженные газы, полученные из чисто газовых месторождений, и промышленные – продукты переработки нефти и др.

К сжимаемым газам относятся: метан, водород, окись углерода и их смеси. На автомобиле они хранятся в специальных баллонах под давлением в 20 МПа. По теплоте сгорания их подразделяют на высококалорийные, среднекалорийные и низкокалорийные. Высококалорийные состоят в основном из метана. Их теплота сгорания 22 – 36 МДж/м³. В эту группу входят газы природные, канализационные, получаемые при переработке сточных вод городских канализационных систем. Среднекалорийные содержат много водорода и окиси углерода с теплотой сгорания 14,2 – 22 МДж/м³.Низкокалорийные газы в своем составе содержат окись углерода (20─30) МДж/м³.

К сжиженным газам относятся: этан, пропан, бутан и др., являющиеся продуктом переработки нефти. Эти газы сжижаются при обычных температурах и относительно невысоких давлениях 1,6 – 2,0 МПа. Газообразные топлива, по сравнению с бензином, обладают более высоким октановым числом, поэтому возможна работа с более высокими степенями сжатия; увеличивается срок службы масла без замены из-за отсутствия попадания бензина в моторное масло. При переводе бензинового двигателя на газ мощность понижается. Причины: более низкая теплотворная способность газа в сравнении с бензином, несоответствие угла опережения зажигания установленного для бензина из-за меньшей скорости распространения пламени в газовоздушной среде, наличие подогрева свежего заряда и снижение вследствие этого наполнения цилиндра свежим зарядом.

В последнее время предпринимаются попытки использование в качестве топлива смеси бензинов и этанола [7].