Понятие и внутреннее устройство двигателя внутреннего сгорания, принцип его работы и сферы практического применения в промышленности. Рабочий процесс карбюраторного четырехтактного двигателя. Дизельные двигатели, устанавливаемые на грузовые машины.
Сочетание деталей «цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал» обеспечивает преобразование прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала (поршень действует на шатун, а шатун - на коленчатый вал). Поршень движется в пределах от крайнего верхнего положения (верхняя мертвая точка - в. м. т.) до крайнего нижнего положения (нижняя мертвая точка - н. м. т.); в этих положениях шатун и кривошип располагаются на одной вертикали, и поршень на момент останавливается, меняя направление своего движения. Разница между этими объемами, равная объему описываемому поршнем за один ход, называется рабочим объемом, а отношение объема над поршнем при его нижнем положении к объему над поршнем в его верхнем положении называется степенью сжатия: На рис. В конце второго хода между электродами свечи проскакивает искра, при этом сжатая смесь воспламеняется, что приводит к повышению давления газов на поршень (точка на графике работы) до 3 ч-4 Мн/м2 (30 - 40 КГ/см) при температуре 1800 ?2000° С, и поршень совершает свой третий ход. Перечисленные такты составляют непрерывно повторяющийся четырехтактный цикл двигателя; работа совершается только на протяжении третьего хода, поэтому он и называется рабочим; три остальные хода являются вспомогательными и на их совершение тратится часть работы, полученной при третьем ходе поршня (табл.Автомобиль, который мы получим через 100 лет, внешне не будет сильно отличаться от имеющегося сегодня, но он будет работать на совершенно иных принципах, а переезды на дальние расстояния будут проходить в новых, созданных человеком условиях.
Введение
Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров.
Важную роль играет автомобильный транспорт в освоении восточных и нечерноземных районов нашей страны. Отсутствие развитой сети железных дорог и ограничение возможностей использования рек для судоходства делают автомобиль главным средством передвижения в этих районах.
Автомобильный транспорт в Беларуси обслуживает все отрасли народного хозяйства и занимает одно из ведущих мест в единой транспортной системе страны. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок.
Автомобильный транспорт создан в результате развития новой отрасли народного хозяйства - автомобильной промышленности, которая на современном этапе является одним из основных звеньев отечественного машиностроения.
Начало создания автомобиля было положено более двухсот лет назад (название «автомобиль» происходит от греческого слова autos - «сам» и латинского mobilis - «подвижный»), когда стали изготовлять «самодвижущиеся» повозки. Впервые они появились в России. В 1752 г. русский механик-самоучка крестьянин Л. Шамшуренков создал довольно совершенную для своего времени «самобеглую коляску», приводимого в движение силой двух человек. Позднее русский изобретатель И.П. Кулибин создал «самокатную тележку» с педальным приводом. С появлением паровой машины создание самодвижущихся повозок быстро продвинулось вперед. В 1869-1870 гг. Ж. Кюньо во Франции, а через несколько лет и в Англии были построены паровые автомобили. Широкое распространение автомобиля как транспортного средства начинается с появлением быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г. Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886 г. К. Бенц - трехколесную повозку. Примерно в это же время в индустриально развитых странах (Франция, Великобритания, США) создаются автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности.
1. Общее устройство двигателя
Карбюраторный четырехтактный двигатель
Автомобильный двигатель относится к тепловым машинам, в которых тепловая энергия сжигаемого топлива превращается в механическую работу; топливо (обычно жидкое) вводится непосредственно в рабочие цилиндры и там сжигается. Выделяющееся тепло преобразуется в механическую работу; такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания. Механическая работа, отдаваемая двигателем, расходуется на преодоление сопротивлений движению автомобиля.
Автомобильные двигатели разделяются на две группы в зависимости от способа воспламенения топлива; в более распространенных карбюраторных двигателях воспламенение сжатой смеси осуществляется электрической искрой, а в дизельных двигателях топливо воспламеняется в среде сжатого воздуха, имеющего высокую температуру.
Каждая группа двигателей в свою очередь делится на два вида но типу рабочего процесса: двухтактные и четырехтактные; широко применяются последние.
На рис. 3 показана простейшая схема карбюраторного четырехтактного двигателя и основные его положения. В вертикально расположенном цилиндре 1 двигается вниз и вверх поршень 5, шарнирно соединенный при помощи пальца 6 с верхней головкой шатуна 7. Нижняя головка последнего охватывает шейку 8 коленчатого вала 10, опорами которого являются подшипники 11, закрепленные в картере 12. Шейки вала, лежащие в опорах, называют коренными шейками коленчатого вала; щеку 9 колена вала с шатунной и коренной шейками называют кривошипом. Для управления впуском смеси топлива с воздухом и выпуском отрабатывающих газов служат клапаны впускной 2 и выпускной 4.
Для воспламенения смеси топлива с воздухом в цилиндре карбюраторного двигателя используется электрическая свеча 3, ввернутая в головку цилиндра; между электродами свечи в необходимый момент проскакивает искра.
Сочетание деталей «цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал» обеспечивает преобразование прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала (поршень действует на шатун, а шатун - на коленчатый вал). Поршень движется в пределах от крайнего верхнего положения (верхняя мертвая точка - в. м. т.) до крайнего нижнего положения (нижняя мертвая точка - н. м. т.); в этих положениях шатун и кривошип располагаются на одной вертикали, и поршень на момент останавливается, меняя направление своего движения. Расстояние между крайними положениями поршня называется ходом поршня; по величине он равен двум радиусам кривошипа. Каждому ходу поршня соответствует половина оборота кривошипа.
В процессе движения поршня объем цилиндра над поршнем непрерывно изменяется в пределах от минимального (при верхнем положении поршня - объем камеры сжатия Vc) до максимального (при нижнем положении поршня - полный объем . Разница между этими объемами, равная объему описываемому поршнем за один ход, называется рабочим объемом, а отношение объема над поршнем при его нижнем положении к объему над поршнем в его верхнем положении называется степенью сжатия:
На рис. 4 и 5 изображены схемы одноцилиндрового карбюраторного четырехтактного двигателя в разрезе с нижними и верхними клапанами.
2. Рабочий процесс карбюраторного четырехтактного двигателя
Основной задачей рабочего процесса двигателя является наиболее эффективное сжигание вводимого в цилиндр топлива, которым обычно служит бензин. Смесь паров бензина с необходимым для сгорания количеством воздуха называетсягорючей смесью, она приготовляется В специальном устройстве, называемом карбюратором.
В начале первого хода поршня открывается впускной клапан (точка на графике, изображенном на рис. 6, а) и за счет разрежения над опускающимся поршнем в цилиндр засасывается из карбюратора свежая горючая смесь. Цилиндр наполняется смесью до момента прихода поршня в нижнее положение, после чего впускной клапан закрывается (точка а). Таким образом, поршень совершает свой первый ход, называемый тактом всасывания (впуска); при этом кривошип делает первую половину оборота, повернувшись на угол 3,14 рад (180°). В процессе всасывания выпускной клапан закрыт. Такт впуска протекает при давлении в цилиндре (прямая fa на графике работы) около 0,08 Мн/м2 (0,8 КГ/см2). К концу впуска смесь нагревается на 80 ? 130° С от горячих стенок цилиндра и оставшихся газов.
Заполнение смесью составляет 0,75 - 0,85 от объема цилиндра над поршнем, когда он находится в нижнем положении.
При втором ходе поршня и закрытых клапанах совершается второй такт - сжатие горючей смеси; кривошип при этом поворачивается от 3,14 до 6,28 рад (от 180 до 360°) - вторая половина оборота. К концу сжатия объем смеси сокращается в 6-8 раз с повышением давления до 0,8 - 1,2 Мн/м2 (8 - 12 КГ/см2) (кривая ас); температура смеси при этом поднимается до 450 500°.
В конце второго хода между электродами свечи проскакивает искра, при этом сжатая смесь воспламеняется, что приводит к повышению давления газов на поршень (точка на графике работы) до 3 ч- 4 Мн/м2 (30 - 40 КГ/см) при температуре 1800 ?2000° С, и поршень совершает свой третий ход. Третий ход представляет собой движение поршня вниз с расширением продуктов сгорания при закрытых клапанах и поворотом кривошипа от 6,28 до 9,42 рад (от 360 до 540°) - первая половина второго оборота; этот ход называется рабочим ходом, или тактом расширения. Его окончание характеризуется давлением 0,35 0,45 Мн/м2 (3,5 ? 4,5 КГ/см2) (точка е) и температурой 800 ? 1100° С. В конце такта расширения открывается выпускной клапан и отработавший газ, имеющий давление больше атмосферного, выпускается через соответствующий трубопровод. Четвертым ходом поршня (такт выпуска) цилиндр очищается от сгоревших газов при открытом выпускном и закрытом. впускном клапанах и давлении 0,1 - 0,12 Мн/м2 (1,05 ? 1,15 КГ/см2) - прямая hr, при этом кривошип поворачивается от 9,42 до 12, 56 рад (от 540 до 720°) - вторая половина второго оборота. Температура в конце выпуска снижается до 700 - 800° С. Выпускной клапан закрывается к началу следующего такта всасывания (впуска), наступление которого служит началом повторения тактов.
Перечисленные такты составляют непрерывно повторяющийся четырехтактный цикл двигателя; работа совершается только на протяжении третьего хода, поэтому он и называется рабочим; три остальные хода являются вспомогательными и на их совершение тратится часть работы, полученной при третьем ходе поршня (табл. 2). График работы, изображенный на рис. 6, а, является теоретическим. Наличие ряда дополнительных условий в работе двигателя, а также стремление обеспечить лучшее наполнение цилиндра рабочей смесью, достичь более полного сгорания горючей смеси и очищения цилиндра от газов заставляют несколько сдвигать границы этих процессов.
В результате все переходы между отдельными участками графика закругляются и действительный график работы принимает вид, изображенный на рис. 6, б.
3. Дизельные двигатели двигатель дизельный сгорание четырехтактный
На грузовых автомобилях среднего и большого тоннажа устанавливают дизели, использующие тяжелые сорта топлива. Эти дизели значительно отличаются от рассмотренного выше двигателя, использующего легкие сорта топлив. Работа дизелей, также как и работа карбюраторных двигателей, основана на сгорании топлива внутри цилиндра. Много общего есть и в основных частях двигателей, за исключением приборов приготовления горючей смеси (топливной аппаратуры) и некоторых других частей.
На рис. 7 показаны схема и график работы четырехтактного дизеля (типа ЯМЗ). При перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней через открытый впускной клапан засасывается воздух (левая стрелка), при перемешивании которого с остаточными газами совершается такт впуска (линия га на графике работы); в следующий ход поршня происходит сжатие смеси с остаточными газами при закрытых клапанах (линия ас); степень сжатия достигает 14 - 20, а давление конца сжатия равно 3 - 4 Мн1м2 (30 - 40 КГ/см2) при температуре 600 - 700° С. В конце сжатия через форсунку 1 насосом 2 под давлением впрыскивается топливо, мелкие частицы которого, соприкасаясь с раскаленным воздухом, сгорают (линия cz); давление поднимается до 5 - б Мн1мг (50 - 60 КГ/см2, а температура - до 1800-2000° С. Под влиянием большого давления газов происходит рабочий ход (линия ze) последним ходом (линия er) поршень выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан (правая стрелка) - такт выпуска.
Для карбюраторного двигателя смесь приготовляется вне его цилиндра и подается на протяжении целого хода поршня заранее подготовленной. В дизеле же смесь образуется в цилиндре, где и сгорает, а для хорошего перемешивания впрыскиваемого за короткий промежуток времени топлива со сжатым воздухом необходимо определенное время, которого не хватает особенно на больших оборотах. Поэтому у современных дизелей максимальное число оборотов в минуту меньше, чем у карбюраторных.
Весь процесс работы при четырехтактном цикле совершается за четыре хода поршня и два оборота коленчатого вала; рабочий ход имеет место только через два оборота вала. Поэтому при наличии только одного цилиндра для получения необходимой мощности требуется увеличение размеров поршня, цилиндра и других деталей, что приводит к необходимости уменьшения оборотов вследствие трудности преодоления больших сил инерции возвратно-поступательно движущихся деталей. Одноцилиндровый двигатель получается тяжелым и тихоходным.
Двигатель автомобильного тина достаточной мощности, малого веса и небольших размеров получится, если увеличить количество цилиндров и повысить число оборотов коленчатого вала в минуту. При увеличенном количестве цилиндров за два оборота совершается несколько рабочих ходов; правильным чередованием этих ходов можно улучшить равномерность вращения вала, а сокращением времени совершения рабочего хода можно дополнительно повысить мощность за счет повышения числа оборотов вала в единицу времени.
Современные автомобильные двигатели чаще всего состоят из четырех, шести или восьми цилиндров.
В качестве общего критерия для оценки двигателя служит коэффициент полезного действия, под которым понимаетсяотношение тепла, эквивалентного работе, снимаемой с маховика, к теплу, эквивалентному введенному топливу; для карбюраторных двигателей он равен 0,2 - 0,25; для дизельных 0,3 - 0,35.
Двигатель состоит из кривошипного и распределительного механизмов и систем охлаждения, смазки, питания и зажигания (только в карбюраторных двигателях).
4. Классификация двигателей внутреннего сгорания
На строительных и дорожных машинах в качестве источника механической энергии применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Общими признаками для двигателей внутреннего сгорания строительных и дорожных машин являются: 1. конструкция кривошипно-шатунного механизма - тронковая (боковое усилие от шатуна воспринимается поршнем);
2. род применяемого топлива - жидкое (бензин, дизельное);
3. направление вращения коленчатого вала - правое (положение наблюдателя со стороны, противоположной валу основного отбора мощности).
Двигатели внутреннего сгорания строительных дорожных машин обеспечивают диапазон мощности 1,5…400КВТ. Применяют карбюраторные двигатели, в основном особо малой мощности и на базовых автомобилях ГАЗ и ЗИЛ, и дизельные двигатели мощностью от 20 КВТ и выше. Наибольшее распространение получили дизельные двигатели. Стандартом на промышленные дизели, к которым относятся двигатели строительных и дорожных машин, введено условное обозначение дизелей, состоящее из букв и цифр: Ч - четырехтактный, Д - двухтактный, Н - с надувом, цифры перед буквами - число цилиндров, цифры после букв над чертой - диаметр цилиндра в сантиметрах, цифры под чертой - ход поршня в сантиметрах.
Требуемая мощность двигателя должна обеспечивать перемещение машины с заданными скоростями, выполнение работы рабочим оборудованием и функционирование систем и механизмов. На строительных и дорожных машинах применяются в основном двигатели тракторного, автомобильного и промышленного назначения, мощности которых определяются стандартами.
Все применяемые на строительных и дорожных машинах поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируют по следующим основным признакам: По способу осуществления газообмена: · двухтактные;
· четырехтактные;
В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два такта, что соответствует двум ходам поршня от одного крайнего положения до другого, или одному обороту коленчатого вала;
В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, соответствующее двум оборотам коленчатого вала.
По способу наполнения рабочего цилиндра: · с естественным наполнением (наполнение обеспечивается перемещением поршня);
·с надувом (наполнение происходит при повышенном давлении от надувочного агрегата);
По способу смесеобразования: · с внешним;
· с внутренним;
В двигателях с внешним смесеобразованием основная часть процесса образования горючей смеси происходит в дополнительном устройстройстве, называемом карбюратором, путем испарения жидкого топлива (бензин) в струе воздуха;
В двигателях с внутренним смесеобразованием горючая смесь образуется внутри рабочего цилиндра путем раздельной подачи топлива
(дизельного) и воздуха. Различают двигатели с непосредственным впрыском и с вихрекамерным смесеобразованием;
По способу воспламенения горючей смеси: · С принудительным зажиганием (от электрической искры);
· С воспламенением от сжатия (дизели);
По числу и расположению цилиндров: · Одноцилиндровые;
· Многоцилиндровые;
· Рядные (с вертикальным расположением цилиндров в один ряд);
· V - образные (двухрядные с расположением цилиндров в рядом под углом 60, 75 или 90°);
По отношению хода поршня
S к диаметру
D цилиндра: · Короткоходные (S/D<1);
· Квадратные (S/D=1);
· Длинноходные (S/D>1);
По степени быстроходности: · Тихоходные (средняя скорость поршня 6,5…10 м/с);
· Быстроходные (средняя скорость поршня 10…15 м/с);
По типоразмерам: · С конкретными типоразмерами диаметра цилиндра и хода поршня D?S;
По способу охлаждения: · С жидкостным;
· С воздушным;
По способу пуска: · С электростартером;
· С электростартером и пусковым двигателем;
· С пусковым двигателем.
Вывод
Автомобиль, который мы получим через 100 лет, внешне не будет сильно отличаться от имеющегося сегодня, но он будет работать на совершенно иных принципах, а переезды на дальние расстояния будут проходить в новых, созданных человеком условиях. Двигатель, трансмиссия, ведущий вал и дифференциал уйдут в прошлое. Автомобили будущего, имеющие питание от топливных ячеек и привод от электродвигателей, установленных на ступицах колес, будут ездить с 80-процентным термическим к.п.д. как в условиях гелиевой атмосферы, так и в обычных условиях наземных дорог.
Но и при всех возможных изменениях в его конструкции автомобиль так и останется средством передвижения большинства людей.
Список литературы
1. Бородин Н.Г. Двигатели внутреннего сгорания, Москва. 1968.
2. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания, Москва 1974 г.
3. Иванов Д.С. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1-3, Москва. 1957.
4. Косенков А.А. Устройство автомобилей: Ходовая часть и проч. системы. - Рн/Д: Феникс, 2005.
5. Кузин Э.Н. Строительные машины, том 1, 5-е издание, переработанное
6. Москва «Машиностроение» 1991 г.
7. Передерий А.А. Устройство автомобилей. Учебное пособие. М., 2004.
8. Справочник по устройству автомобилей ВАЗ - http://automan.ru.
9. Хачиян А.С. Двигатели внутреннего сгорания, Москва, «Высшая школа» 1978 г. 280 с.
