9 Двигатели 9.1 Общая характеристика работы двигателей
Двигатель - энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. Особенностью двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является то, что топливо в них сжигается непосредственно в цилиндре. Получаемый при этом газ высокого давления и высокой температуры расширяется в цилиндре, и тепловая энергия его преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма в механическую работу на валу двигателя.
ДВС классифицируют по следующим признакам:
- по назначению (транспортные и стационарные);
- по способу осуществления рабочего цикла (четырехтактные и двухтактные);
- по способу смесеобразования (с внешним - карбюраторные и с внутренним - дизели или бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива);
- по способу воспламенения рабочей смеси (с принудительным - от искры или самовоспламенение - от сжатия);
- по виду применяемого топлива;
- по числу цилиндров и их расположению;
- по способу наполнения цилиндров свежим зарядом (двигатели без наддува или с наддувом);
- по способу охлаждения (с жидкостным или воздушным).
Рабочим циклом ДВС называют совокупность процессов, которые в определенной последовательности периодически повторяются в цилиндре, в результате чего двигатель непрерывно работает. К этим процессам относятся следующие: впуск - наполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси (смеси воздуха и топлива) или только воздуха; сжатие газов; расширение газов или рабочий ход; выпуск отработавших газов (ОГ).
Если рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, то это двигатель четырехтактный, если за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, то - двухтактный. Наибольшее распространение получили четырехтактные двигатели как более совершенные.
Рассмотрим устройство и принцип работы четырехтактного ДВС одноцилиндрового карбюраторного двигателя (рис.9.1).
При рассмотрении цикла условно принимаем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек: верхняя мертвая точка (ВМТ) - крайнее верхнее положение поршня, нижняя мертвая точка (НМТ) - крайнее нижнее положение поршня.
Первый такт - впуск. При вращении коленчатого вала поршень 3 перемещается из ВМТ в НМТ и в верхней части цилиндра создается разрежение. Распределительный вал 2 через детали механизма газораспределения открывает впускной клапан 6, который через впускной трубопровод 5 соединяет цилиндр двигателя с карбюратором (на рисунке не показан), в котором происходит смешение паров бензина с воздухом. Горючая смесь (бензовоздушная), поступающая под действием разрежения из карбюратора по впускному трубопроводу, заполняет цилиндр, где образуется рабочая смесь. Рабочая смесь состоит из горючей смеси и части отработавших газов, которые всегда в небольшом количестве остаются в цилиндре двигателя от предыдущего цикла. В конце такта впуска, при работе двигателя на режиме полной нагрузки, давление в цилиндре ниже атмосферного, а температура смеси равна 80-1200С (для прогретого двигателя).
Второй такт - сжатие. Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми. Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра - увеличивается. Повышение давления сопровождается увеличением температуры рабочей смеси до 300-4000С.
Третий такт - расширение газов или рабочий ход. Оба клапана закрыты. При подходе поршня в конце такта сжатия к ВМТ между электродами свечи зажигания 7 проскакивает электрическая искра. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, при этом резко повышаются температура и давление газов. Они давят на поршень, который под их давлением перемещается из ВМТ в НМТ и через шатун 10 вращает коленчатый вал. Это основной такт, так как расширяющиеся газы совершают полезную работу. С момента воспламенения рабочей смеси давление газов быстро возрастает, а затем по мере движения поршня вниз и увеличения объема снижается. В начале расширения температура газов в цилиндре двигателя достигает ~ 3000°К, а в конце - снижается до - 1000°К. Причем уровни давления и температуры газов в указанных точках существенно зависят от степени сжатия рабочей смеси.
Четвертый такт - выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 8 вытесняет отработавшие газы в выпускной трубопровод 9, глушитель и далее - в атмосферу. При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндра от отработавших газов, часть их остается в цилиндре. В конце выпуска температура газов в цилиндре соответствует 700-8000С. После окончания такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется в последовательности, изложенной выше.
На заднем конце коленчатого вала устанавливают тяжелый диск - маховик, который во время рабочего хода накапливает энергию, а затем продолжает вращаться по инерции. При этом вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение остальных вспомогательных тактов. С работой двигателя связаны следующие параметры:
Ход поршня - расстояние между крайними положениями поршня.
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 цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания.
Литраж двигателя - это произведение рабочего объема на число цилиндров.
Степень сжатия - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. В карбюраторных двигателях степень сжатия 6,5-10, а в дизелях - 14-22. С увеличением степени сжатия возрастает мощность и улучшается экономичность двигателя.
В стационарной энергетике, а также на железнодорожном и морском транспорте в основном применяются двигатели внутреннего сгорания, работающие на тяжелых сортах топлива (дизели).
