Устройство, основные элементы, принцип работы и характеристики двигателей внутреннего сгорания

05. Устройство, основные элементы, принцип работы и характеристики двигателей внутреннего сгорания

Элементы классификации двигателей внутреннего сгорания [1, С. 12–13], [2, С. 5]

По конструктивному оформлению способа преобразования тепловой энергии в механическую работу тепловые двигатели подразделяются следующим образом:

– поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями;

– роторно-поршневые ДВС, в которых процесс сгорания топлива и преобразование тепловой энергии в механическую работу осуществляется в камере, образуемой корпусом и вращающимся ротором;

– газотурбинные, в которых процесс сгорания топлива совершается в специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в механическую работу осуществляется на лопатках газовой турбины.

Специфика использования теплового двигателя на транспортном или транспортно-технологическом средстве подразумевает необходимость сохранения им работоспособности при изменении положения в пространстве, а также обеспечения эффективного функционирования при изменении в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы. К нему предъявляются высокие требования по габаритным размерам и массе.

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) выделение теплоты и преобразование ее части в механическую работу происходит непосредственно в его расширительном устройстве, например, в цилиндре, а рабочее тело циклически обновляется.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим признакам.

1. По назначению:

– двигатели стационарные, которые применяются для производства электрической энергии, привода гидравлических машин, например, насосов, и т. д;

– двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, дорожно-транспортных, строительных, сельскохозяйственных и других транспортных машинах.

2. По способу смесеобразования:

– двигатели с внутренним смесеобразованием, когда в процессе впуска в цилиндр поступает воздух, а рабочая смесь образуется внутри цилиндра при подаче топлива через форсунки;

– двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется, в основном, вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится уже готовой горючей смесью.

3. По способу воспламенения рабочей смеси:

– двигатели с воспламенением рабочей смеси от электрической искры (с искровым зажиганием – ДсИЗ);

– двигатели с воспламенением рабочей смеси от тепла, полученного рабочим телом в результате сильного сжатия (дизельные двигатели);

– двигатели с форкамерно-факельным зажиганием, в которых воспламенение небольшой части рабочей смеси осуществляется электрической искрой в специальной форкамере (предкамере) небольшого объема, с последующим зажиганием рабочей смеси в основной камере над поршнем вырывающимся из предкамеры пламенем.

4. По виду применяемого топлива:

– двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, керосине, бензоле, спирте);

– двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе, соляровом масле и др.);

– двигатели, работающие на газообразном топливе (природном или генераторном газе);

– двигатели многотопливные, работающие на широком ассортименте жидких топлив, от легких до тяжелых (бензине, керосине, дизельном топливе и др.).

5. По способу осуществления рабочего цикла:

– двигатели четырехтактные, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала;

– двигатели двухтактные, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

6. По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:

– двигатели без наддува, в которых наполнение цилиндра осуществляется за счет разрежения, создаваемого в нем при движении поршня в направлении нижней мертвой точки в такте впуска;

– двигатели с наддувом, в которых наполнение цилиндра свежим зарядом происходит под давлением, создаваемым нагнетателем.

7. По способу регулирования мощности двигателя:

– двигатели с количественным регулированием мощности, когда при изменении нагрузки изменяется количество горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя, за счет изменения положения дроссельной заслонки (двигатели с внешним смесеобразованием);

– двигатели с качественным регулированием мощности, когда при изменении нагрузки изменяется количество топлива, вводимого в цилиндры двигателя, при неизменном количестве воздуха (дизели);

– двигатели со смешанным регулированием мощности, когда при изменении нагрузки изменяются количество и качество горючей смеси.

8. По числу цилиндров:

– двигатели одноцилиндровые;

– двигатели многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые);

9. По расположению цилиндров:

– двигатели рядные (вертикальные, горизонтальные, с наклонным расположением цилиндров);

– двигатели V-образные;

– двигатели оппозитные (ряды цилиндров расположены друг относительно друга под углом 180°);

– двигатели звездообразные.

10. По литражу (рабочему объему V_л цилиндров):

– двигатели микролитражные (V_л ≤ 1 л);

– двигатели малолитражные (1 < V_л ≤ 2 л);

– двигатели среднелитражные (2 < V_л ≤ 4 л);

– двигатели большого литража (V_л > 4 л).

11. По способу охлаждения цилиндров:

– двигатели с жидкостным охлаждением;

– двигатели с воздушным охлаждением.

Рабочие циклы поршневых двигателей [3, С. 23–29], [4, С. 16–21]

В двухтактных двигателях рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала). Эти двигатели используют в основном на мотоциклах или как пусковые на тракторах. Автомобильные двигатели обычно работают по четырехтактному циклу, который совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала) и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска (см. рис. 5.1).

Рис. 5.1. Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Такт I (впуск) реализуется при повороте кривошипа от 0 до 180º. Поршень в начале впуска находится в верхней мертвой точке (ВМТ) и по мере вращения коленчатого вала перемещается от ВМТ к нижней мертвой точке (НМТ). В действительном цикле понятия “такт” и “процесс” не совпадают, т.к. для лучшей организации процессов газообмена клапаны открываются до начала соответствующего такта и закрываются после его завершения. При движении поршня вниз над ним создается разрежение, в результате чего цилиндр заполняется свежим зарядом. Давление в конце впуска определяется гидравлическими потерями во впускном тракте. Величина этих потерь зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. На температуру в конце впуска влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя и его охлаждение за счет затрат теплоты на испарение топлива. Совершенство организации процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения h_V – отношением действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к количеству, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре окружающей среды. Чем выше h_V, тем больше мощность двигателя.

Такт II (сжатие) осуществляется при повороте кривошипа от 180 до 360º. При этом впускной клапан закрывается, а выпускной – закрыт. По мере сжатия заряда повышается его температура и давление. На значения этих параметров влияют значения температуры и давления в начале сжатия, а также степень сжатия. В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси от искры (в двигателях с искровым зажиганием) или впрыск в камеру сгорания под большим давлением топлива, которое, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется (в дизелях). В момент прихода поршня в ВМТ давление рабочего тела из-за начавшегося процесса сгорания несколько превышает давление в конце процесса сжатия. Угловой интервал от момента воспламенения до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания (в дизелях – впрыскивания).

Такт III (расширение) осуществляется при повороте кривошипа от 360 до 540º. Во время этого такта происходят сгорание основной доли топлива, расширение рабочего тела, и осуществляется полезная работа. В результате горения топлива происходит быстрое повышение температуры и давления до максимальных значений. Отношение максимального давления к давлению в конце сжатия называют степенью повышения давления l.

Такт IV (выпуск) осуществляется при повороте кривошипа от 540 до 720º. При этом продукты сгорания через открытый выпускной клапан отводятся из цилиндра при давлении, немного превышающем атмосферное.

Основные конструктивные параметры двигателей внутреннего сгорания [ [3, С. 19–21], [5, С. 13–14]

Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 5.2.

Основными частями ДВС являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы: питания, смазки, охлаждения и зажигания.

Рис. 5.2. Схема поршневого ДВС: а – продольный разрез; б – поперечный разрез; 1 – коленчатый вал; 2 – цилиндр; 3 – шатун; 4 – поршень; 5 – кольца; 6 – камера сгорания; 7 – впускной клапан; 8 – впускной патрубок; 9 – свеча; 10 – выпускной клапан; 11 – выпускной патрубок; 12 – поршневой палец; 13 – картер; 14 – маховик; 15 – поддон; 16 – коренные подшипники

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра, поршня с кольцами и пальцем, соединяющим поршень с поршневой головкой шатуна. Кривошипная головка шатуна соединена с коленчатым валом, на заднем конце которого установлен маховик, обеспечивающий равномерность вращения коленчатого вала. Коленчатый вал вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере двигателя, который снизу закрыт поддоном, используемым как резервуар для масла.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Он приводится в действие от коленвала через зубчатые колеса. Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, отвода продуктов сгорания из цилиндра. Смазочная система обеспечивает подачу масла к взаимодействующим деталям. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, отводя теплоту от сильно нагревающихся деталей. Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.]

Основные конструктивные параметры двигателя: диаметр цилиндра (D); ход поршня (S); равный удвоенному радиусу кривошипа R (двигатели с S/D>1 называются длинноходными, а с S/D≤1 – короткоходными); отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (λ=r/l) – безразмерная величина, которая должна обеспечивать свободное движение шатуна без задевания за стенки цилиндра и свободное перемещение поршня без задевания за коренные подшипники коленчатого вала; рабочий объем цилиндра (V_h) и объем камеры сгорания (V_c), сумма которых – полный объем цилиндра (V_a), степень сжатия (e=V_a/V_c); число цилиндров (i); литраж двигателя (V_л = V_hi). Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее – нижней мертвой точкой.

Показатели работы двигателей внутреннего сгорания[3, С. 39–41], [4,С. 22–25, 30, 311–361], [6, С. 93–105]

Часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, поданного в цилиндр двигателя, за цикл его работы, затрачивается на совершение полезной работы L_e, другая часть неизбежно теряется (тепловые и механические потери).

Для оценки эффективности работы двигателя служат индикаторные и эффективные показатели. Индикаторные показатели характеризуют работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя L_i. Эффективные показатели характеризуют работу двигателя, которая “снимается” с коленчатого вала и полезно используется L_e.

К мощностным индикаторным показателям относятся индикаторная мощность N_i и среднее индикаторное давление p_i.

Среднее индикаторное давление представляет собой индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема

Этот показатель оценивает степень эффективности использования рабочего объема цилиндра.

Индикаторная мощность – мощность, развиваемая газами внутри цилиндра – определяется как индикаторная работа, получаемая за единицу времени

где t_ц – время реализации одного рабочего цикла, с.

Экономичность действительного цикла оценивается индикаторным КПД, характеризующим долю теплоты, введенной в цикл, которая преобразуется в индикаторную работу

где Q₁ –количество теплоты, вносимой в цикл топливом.

Большее практическое применение для оценки экономичности двигателя имеет удельный индикаторный расход топлива, показывающий, какое количество топлива расходуется в двигателе на производство индикаторной работы

где G_тц – количество топлива на один цикл.

В результате механических потерь индикаторная работа уменьшается, и с коленчатого вала “снимается” оставшаяся – эффективная работа

где L_мп – механические потери работы.

Уровень механических потерь в двигателе оценивается механическим КПД, показывающим какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную,

Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя (эффективная мощность) определяется по формуле

где – среднее эффективное давление, т.е. давление, которое совершает полезную работу, получаемую за цикл с единицы рабочего объема цилиндра.

Эффективный крутящий момент двигателя, или момент силы, действующей по шатуну на радиусе кривошипа коленчатого вала, можно представить так

Совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, выделенной топливом, преобразуется в эффективную работу

Экономичность двигателя оценивается величиной удельного эффективного расхода топлива, показывающего, какое количество топлива расходуется на производство единицы эффективной работы

Все одноименные индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД

Экологические показатели работы двигателя характеризуют наличие в отработавших газах токсичных компонентов, парниковообразующих газов, а также шум, производимый при работе двигателя. Эти показатели жестко регламентируются государственными и международными стандартами и правилами.

Рабочие тела в двигателях внутреннего сгорания [2, С. 13–20], [4, С. 34–44], [5, С. 40–48]

В качестве рабочих тел в двигателях внутреннего сгорания используются топливо и продукты его сгорания, воздух, масло, охлаждающая жидкость.

Химическая энергия топлива в процессе горения преобразуется в теплоту, которая при осуществлении рабочего цикла двигателя затрачивается на производство механической работы.

Воздух включает в свой состав кислород, который является окислителем при горении топлива. Важным показателем воздуха, направляемого в цилиндры двигателя, является степень его очистки от механических примесей. Величина этого показателя во многом влияет на износ поршневой группы и цилиндра. Кроме того, воздух используется в качестве холодного теплоносителя в системе охлаждения. Также важными показателями при использовании воздуха, как в качестве окислителя, так и в качестве холодного теплоносителя являются его температура и давление.

Масло используется в системе смазки двигателя для снижения механических потерь, уменьшения износа, а также для охлаждения элементов ДВС. Кроме того, масло используется в качестве рабочего тела в гидромуфтах привода вентиляторов, гидравлических толкателях, гидрокомпенсаторах, сервомоторах систем регулирования, гидравлических устройствах изменения фаз газораспределения.

Охлаждающая жидкость применяется в системе охлаждения в качестве теплоносителя для отвода теплоты от нагретых элементов двигателя. В качестве охлаждающей жидкости используются антифризы (тосолы), представляющие собой смесь воды с веществами, задающими определенные эксплуатационные свойства смеси, обеспечивающие работу двигателя в условиях низких температур.

В рабочем цикле двигателя в качестве рабочего тела изначально используются топливо, в котором происходят физико-химические изменения и превращения, и воздух. В цилиндр поступает свежий заряд, который в дизеле представляет собой воздух, а в двигателе с искровым зажиганием – топливовоздушную смесь. В цилиндре свежий заряд смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточными газами, образуя рабочую смесь. В процессе сгорания рабочая смесь превращается в продукты сгорания и далее в отработавшие газы.

Характеристики двигателя внутреннего сгорания[4, С. 31–33, 362, 382–384], [5, С. 142–151]

Транспортные двигатели работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, а также в условиях их частого изменения. Под режимом работы двигателя понимается совокупность параметров рабочего процесса, факторов внешней среды и внешней нагрузки, обеспечивающих двигателю определенные мощностные, экономические и экологические показатели. Для оценки эффективности функционирования двигателя при его работе на различных режимах и при различных значениях регулировочных параметров служат характеристики двигателя.

Характеристики двигателя выражают зависимость его показателей от одного или нескольких режимных или регулировочных параметров при постоянстве некоторых других параметров. По характеристикам двигателя оценивают его эксплуатационные свойства, степень конструктивного совершенства, эффективность вносимых в двигатель изменений при доводке рабочего процесса, правильность регулировок, а также соответствие двигателя тому или иному назначению. Характеристики двигателя обычно определяют на установившихся режимах. В зависимости от параметра, принимаемого в качестве независимой переменной, различают регулировочные, нагрузочные и скоростные характеристики.

Регулировочная характеристика – зависимость основных показателей двигателя от значения одного или нескольких регулировочных параметров при постоянной частоте вращения коленчатого вала.

Нагрузочная характеристика – зависимость основных показателей двигателя от одного из параметров, характеризующих его нагрузку (N_e, M_к, p_e), при постоянной частоте вращения.

Скоростная характеристика – зависимость основных показателей двигателя (мощности, крутящего момента, расходов топлива и др.) от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления двигателем.

Наибольшее значение имеет внешняя скоростная характеристика, которая определяется в дизелях при полной подаче топлива, а в двигателях с искровым зажиганием – при полном открытии дросселя. Эта характеристика позволяет анализировать мощностные, экономические, динамические, эксплуатационные показатели при работе двигателя с полной нагрузкой.

Примеры внешних скоростных характеристик карбюраторного двигателя и дизеля представлены на рис. 5.3.


а	б
Рис. 5.3. Внешняя скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания: а – карбюраторного; б – дизеля

Скоростные характеристики, снятые при промежуточном положении органа управления двигателем, называются частичными. Частный случай скоростной характеристики – характеристика холостого хода.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. – 400 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов / А.С. Хачиян, К.А. Морозов, В.Н. Луканин и др.; под ред. В.Н. Луканина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985. – 311 с.

3. Пузанков, А.Г. Автомобили: Устройство автотранспортных средств: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А.Г. Пузанков. – 5-е изд., перераб. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 560 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; под ред. В.Н. Луканина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. – 479 с.

5. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов – 4-е изд., стереот. – М.: Высш. шк., 2008. – 496 с.

6. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: учеб. пособие. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2007. – 368 с.