ТЕМА № 3. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ

ТЕМА № 3. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
Занятие № 1. Назначение, устройство и принцип работы бензинового и
дизельного двигателей
Учебные вопросы
1. Общее устройство двигателя.
2. Принцип работы бензинового и дизельного двигателей.
3. Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания.
4. Параметры двигателя (ход поршня, объем камеры сгорания, степень сжатия,
рабочий и полный объемы цилиндра, рабочий объем двигателя и другие).
Время:
2 часа.
Введение
На современных автомобилях применяются в основном двигатели внутреннего
сгорания. В зависимости от способа образования горючей смеси вида применяемого
топлива двигатели внутреннего сгорания бывают с внешним и внутренним
смесеобразованием.
К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные,
работающие на легкоиспаряющемся топливе-бензине, и газовые, работающие на
сжатом или сжиженном газе. К двигателям с внутренним смесеобразованием
относятся дизельные, работающие на трудноиспаряющемся дизельном топливе. В
карбюраторных и газосмесительных двигателях горючая смесь приготовляется вне
цилиндров двигателя в специальных приборах - карбюраторе или смесителе - и
воспламеняется в цилиндре электрической искрой. В дизельных двигателях смесь
образуется внутри цилиндров и воспламеняется от соприкосновения распыленного
топлива со сжатым воздухом.
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на свойстве газов
расширяется при нагревании. Если горючую смесь поместить в замкнутую полость
и зажечь, то в результате нагрева образующихся газов давление будет повышаться
тем больше, чем выше температура газов.
В настоящей лекции рассматривается теория рабочего процесса двигателей
внутреннего сгорания, применяющихся на современных транспортных средствах и
средствах подвижности вооружения. Знание процессов, происходящих в двигателе
внутреннего сгорания позволит качественно оценить эти процессы и получить
отчетливое представление о тех путях, по которым можно улучшить экономические
показатели двигателя при эксплуатации. Кроме того, знание этого материала
позволит более качественно усвоить последующие темы программы.
Учебный вопрос № 1.
Общее устройство двигателя
Процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращение ее в
механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах двигателей.
1
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют
 по способу воспламенения рабочей смеси – на двигатели с
принудительным воспламенением рабочей смеси от электрической искры и
двигатели с самовоспламенением (дизели);
 по способу смесеобразования – на двигатели с внешним
смесеобразованием (карбюраторные, с впрыскиванием топлива во впускной
коллектор), у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с
внутренним смесеобразованием (дизели и двигатели с принудительным
воспламенением и впрыскиванием топлива в цилиндр), у которых смесеобразование
происходит внутри цилиндров;
 по способу организации рабочего цикла – на четырех- и двухтактные
 по числу цилиндров – на одно-, двух- и многоцилиндровые;
 по расположению цилиндров – на двигатели с вертикальным или
наклонным расположением цилиндров в один ряд, на V-образные двигатели с
различным углом развала, в том числе под углом 180°, которые называются
оппозитными;
 по виду применяемого топлива – на двигатели, использующие бензин, газ,
дизельное и другие виды топлив (многотопливные).
Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов и систем, общее
устройство и принцип работы которых целесообразно рассмотреть на примере
четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя (рис.1, 2).
Рис. 1. Четырехтактный одноцилиндровый дизельный двигатель
Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный и
газораспределительный механизмы, а также система питания, смазочная система и
система охлаждения (рис. 3).
2
Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов и преобразует
прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное
движение коленчатого вала (рис. 4).
Рис. 3 . Основные механизмы двигателя
Рис. 4. Кривошипношатунный механизм
Состоит
из
цилиндра,
головки, закрывающей цилиндр
сверху, поршня с кольцами и
пальцем, который соединяет
поршень с верхней головкой
шатуна. Нижняя головка шатуна
соединена с коленчатым валом,
на заднем конце которого установлен маховик. Коленчатый вал вращается в
подшипниках скольжения, расположенных в картере. Смазочная ёмкость картера
используется как резервуар для масла.
Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск
горючей смеси или воздуха (дизель) в цилиндр и удаление из него продуктов
сгорания. Этот механизм приводится в действие от коленчатого вала через
шестеренчатую,
цепную
или
клиноременную
передачи.
При
этом
распределительный вал, воздействуя на толкатели, штанги и коромысла, открывает
впускной или выпускной клапаны, закрытие которых происходит под действием
пружин.
Учебный вопрос № 2
Принцип работы бензинового и дизельного двигателей
3
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на свойстве газов
расширяется при нагревании.
Двигатель внутреннего сгорания.
Взаимодействие механизмов и систем
дизельного
двигателя
происходит
следующим образом. Когда поршень
опускается вниз, воздух через открытый
впускной клапан поступает в цилиндр. При
движении поршня вверх воздух сжимается,
его температура повышается до 400-500 °С.
Когда поршень доходит до крайнего
верхнего
положения,
в
цилиндр
впрыскивается топливо, смешиваясь с горячим воздухом, образуя горючую смесь,
которая затем самовоспламеняется и сгорает. В процессе сгорания образуются
газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под действием
давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит
во вращение коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование
возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение
коленчатого вала. Затем поршень двигается вверх и выталкивает отработавшие
газы через открывающийся выпускной клапан.
В бензиновом двигателе протекают похожие с первого взгляда процессы
Полость цилиндра сверху закрывается головкой цилиндра с камерой сгорания, а
снизу - масляным картером. Поршень, помещенный в цилиндр, может свободно
перемещаться в цилиндре. Поршень при помощи пальца и шатуна шарнирно
соединяется с кривошипом коленчатого вала. К валу крепится массивное чугунное
колесо-маховик. Таким образом, поршень совершает прямолинейное
поступательное движение вниз, а коленчатый вал - вращательное движение.
Маховик, получив заряд кинетической энергии, будет продолжать некоторое
время вращать вал с кривошипом и перемещать поршень вверх и вниз. Для
подготовки цилиндра к новой вспышке и расширению газов (рабочему ходу)
необходимо очистить цилиндр от продуктов сгорания, заполнить его новым зарядом
горючей смеси и сжать эту смесь, вернув поршень в исходное положение, т.е. вверх
цилиндра. Перемещаясь, поршень выталкивает продукты сгорания через
открываемое выпускным клапаном отверстие. После выпуска отработавших газов
открывается впускным клапаном другое отверстие - впускное; поршень
перемещается вниз и, вследствие разряжения, цилиндр заполняется горючей смесью
- происходит впуск. Чтобы воспламенить смесь, необходимо вернуть поршень в
исходное верхнее положение и сжать смесь. Эта часть процесса называется
сжатием.
4
Учебный вопрос № 3.
Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания
Как видим, для производства одного рабочего хода необходимо произвести три
подготовительных - выпуск, впуск и сжатие. Каждый из этих процессов протекает за
половину оборота коленчатого вала, а все четыре - рабочий ход, выпуск, впуск,
сжатие - за два оборота. Подготовительные процессы в одноцилиндровом двигателе
происходят за счет энергии маховика, накопленной им при рабочем ходе.
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд
последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и
обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.
Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот
коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время
двухтактные двигатели на военной автомобильной технике не применяют, а
используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторных дизелях.
Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно большой расход
топлива и недостаточное наполнение горючей смесью из-за плохой очистки
цилиндров от отработавших газов.
В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом:
Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие
образующегося разрежения из воздухоочистителя в полость цилиндра через
открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в
цилиндре составляет 0,08-0,095 МПА, а температура 40-60 °С.
Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной
клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает
имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы
температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.
Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550-700°С при
давлении воздуха внутри цилиндра 4,0-5,0 МПа.
Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр
через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом
высокого давления. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом,
самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым
повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов
достигает 6-9 МПа, а температура – 1800-2000 °С. Под действием давления газов
поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ
давление снижается до 0,3-0,5 МПа, а температура – до 700-900 °С.
Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый
выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа
снижается до 0,11-0,12 МПа, а температура – до 500-700 °С. После окончания
5
такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл
повторяется в той же последовательности.
Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя
существенно отличаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей
смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр карбюраторного двигателя
при такте впуска поступает не воздух, а горючая смесь, приготовленная в
карбюраторе, которая в конце такта сжатия воспламеняется от электрической искры
системы зажигания. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе
(рис.17) рабочий цикл происходит следующим образом .
Такт впуска. Поршень находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого
вала (за один его полуоборот) перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной
клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над
ним увеличивается, поэтому в цилиндре образуется разрежение, равное 0,07-0,095
МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и
воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр. От соприкосновения
свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру
75-125 °С.
Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем
вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной
клапан закрывается, а выпускной – остается закрытым. По мере сжатия горючей
смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от конструкции
двигателя давление в конце такта сжатия может составлять 0,8-1,5 МПа, а
температура газов 300-450 °С.
Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь
воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и
быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов
резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное
давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится
в пределах 3,5-5 МПа, а температура газов 2100-2400 °С.
При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает
сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При
расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте
коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление
в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура – до 900-1200 °С.
Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от НМТ к
ВМТ. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из
цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска
продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к
концу такта оно падает до 0,105-0,120 МПа, а температура газов в начале такта
6
выпуска составляет 750-900 °С, понижаясь к его концу до 500-600 °С. Полностью
очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно
(слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси
она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей
смесью.
Учебный вопрос № 4.
Параметры двигателя (ход поршня, объем камеры сгорания, степень
сжатия, рабочий и полный объем цилиндра, рабочий объем двигателя и
другие)
 Верхняя мертвая точка (ВМТ) - крайнее верхнее положение поршня.
 Нижняя мертвая точка (НМТ) - крайнее нижнее положение поршня.
 Ход поршня S - расстояние между крайними положениями поршня, равное
удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня
соответствует поворот коленчатого вала на угол 1800 (пол-оборота).
 Такт - часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.
 Объем камеры сгорания - объем пространства над поршнем при его
положении в ВМТ.
 Рабочий объем цилиндра - объем пространства, освобождаемого поршнем
при перемещении его от ВМТ к НМТ.
 Полный объем цилиндра - объем пространства над поршнем при
нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндраVa равен сумме
рабочего объема Vh цилиндра и объема Vc камеры сгорания.
Рабочий объём двигателя или литраж двигателя для многоцилиндровых
двигателей - это произведение рабочего объема Vh на число i цилиндров.
Vл  Vh  i
Степень сжатия Е - отношение полного объема Va цилиндра к объема Vc
камеры сгорания
Va
Vh  Vc

Vc
Vc
Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем
цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия величина безразмерная.
Чем выше степень сжатия, тем лучше экономичность и больше мощность
двигателя. Это объясняется снижением тепловых потерь за счет уменьшения
поверхности камеры сгорания и увеличения среднего давления в цилиндре.
Требуемые значения степени сжатия для карбюраторных двигателей
ограничиваются свойствами применяемого топлива (бензина) и в основном его
антидетонационной стойкостью. Чрезмерно высокая степень сжатия приводит к
Е 
7
детонационному воспламенению смеси, сгорание ее происходит с очень большими
скоростями и резкими местными повышениями давления в цилиндре. В результате
этого нарушается нормальная работа двигателя, снижается его мощность и
экономичность и возрастает износ деталей. Для обеспечения нормальных условий
работы карбюраторного двигателя, степень сжатия должна быть не выше 6…10. При
этом для двигателей с более высокими степенями сжатия применяется топливо с
хорошими антидетонационными свойствами, т.е. высоким октановым числом
бензина. Степень сжатия в дизельных двигателях колеблется в пределах 15…20. Для
примера - технические характеристики двигателя автомобиля КАМАЗ 4310 (табл.
1).
Таблица 1. Основные технические характеристики двигателя
Форма контроля.
В письменном виде ответить на следующие вопросы:
1. Как классифицируют двигатели внутреннего сгорания?
2. Что такое ход поршня, объем камеры сгорания, степень сжатия, рабочий и
полный объем цилиндра, рабочий объем двигателя?
Используемая литература
1.
Вахламов, В.К. Подвижной состав автомобильного транспорта. - М.:
Академия-М, 2003. – 480 с.
2.
Карагодин, В.И., Шестопалов, С.К. Устройство и техническое обслуживание
грузовых автомобилей. - М.: Транспорт-М, 2000. – 223 с.:
3.
Косенков, А.А. Устройство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Типы и системы двигателей. - Ростов н/Д.: Феникс, 2004. – 448 с.
4.
Передерий, В.П. Устройство автомобиля. - М.: ФОРУМ-М, 2006. – 288 с.
5.
Пехальский А.П. Устройство автомобилей: - М.: Академия-М, 2005. - 528 с
8