Компетенція № 1-2 Двигун. Основнi механiзми та системи двигуна, їх пpизначення та pозмiщення
Конспект
Двигун внутрішнього згоряння повинен відповідати своємупризначенню і мати високі техніко-економічні і екологічні показники. Основні вимоги до ДВЗ:
- простота конструкції і надійність роботи на різних експлуатаційних режимах;
- мінімальні габаритні розміри та маса при необхідній потужності, надійності і довговічності;
- висока економічність щодо витрат палива і мастил при роботі на різних експлуатаційних режимах і кліматичних умовах;
- високий моторесурс, протягом якого двигун повинен працювати надійно й економічно до капітального ремонту;
- безвідмовний пуск за різних температурних умов і добра прийомистість;
- найповніше зрівноваження сил та моментів рухомих мас та забезпечення заданого ступеня нерівномірності обертання колінчастого вала;
низький рівень викидів токсичних компонентів та шуму і повна безпечність незалежно від умов експлуатації.
Двигун внутрішнього згоряння класифікують за такими основними ознаками (рис.2.1):
кількістю циліндрів — одноциліндрові та багатоциліндрові;
способом розташування циліндрів — однорядні (лінійні) та дворядні (У-подібні з кутом розташування рядів 90° й опозитні з кутом розташування рядів 180°);
способом здійснення робочого процесу — двотактні та чотиритактні;
способом сумішоутворення — із зовнішнім та внутрішнім;
способом запалювання робочої (пальної) суміші — із примусовим та самозапалюванням;
видом палива — рідинного (бензин, дизельне паливо) та газоподібного;
способом охолодження циліндрів — рідинного та повітряного;
способом повітрозабезпечення — без наддуву та з ним (механічним, газотурбінним, комбінованим).
Рис. 2.1. Схема класифікації ДВЗ
Поршневий ДВЗ складається з кривошипно-шатунного механізму, газорозподільного механізму, системи живлення, системи запалювання (є лише у карбюраторних двигунів), систем мащення, охолодження і пуску.
Кривошиино-шатунний механізм призначений для перетворення прямолінійного зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух колінчастого вала і сприймання тиску газів, які утворюються в процесі згоряння робочої суміші. Крім того, за допомогою кривошипно-шатунного механізму відбувається виштовхування відпрацьованих газів із циліндрів двигуна, всмоктування та стиск свіжої пальної суміші або повітря.
Газорозподільний механізм забезпечує своєчасний впуск в циліндри свіжої пальної суміші або повітря і випуск відпрацьованих газів.
Система живлення призначена для зберігання, очищення і подачі палива і повітря у циліндри, приготування пальної суміші певного складу і в необхідній кількості залежно від режиму роботи двигуна.
Система запалювання в карбюраторних двигунах забезпечує своєчасне і безперебійне запалювання робочої суміші.
Система мащення забезпечує мащення вузлів і деталей двигуна, часткове охолодження їх тертьових поверхонь та виведення продуктів спрацювання.
Система охолодження забезпечує безперервне відведення частішії теплоти, що виділяється при згорянні палива, а також підтримує оптимальний тепловий режим роботи двигуна.
Система пуску призначена для надійного пуску двигуна у різних експлуатаційних умовах.
2.2. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ
Пальна суміш — суміш повітря з паливом у певній пропорції. Пальна суміш, яка заповнює циліндр і змішується з рештками продуктів згоряння, називається робочою сумішшю.
Верхня мертва точка (ВМТ) — положення поршня, при якому віддаль його від днища до осі колінчастого вала найбільша.
Нижня мертва точка (НМТ) — положення поршня, при якому віддаль від днища до осі колінчастого вала найменша (рис. 2.2.).
Шлях, який проходить поршень між мертвими точками називається ходом поршня S.
Об’єм камери стиску Vс — це об’єм над днищем, коли поршень перебуває у ВМТ.
Робочий об’єм Vр— це об’єм, що звільняє поршень при переміщенні від ВМТ до НМТ.
Повний об’єм циліндра — це сума об’ємів камери стиску й робочого об’єму:
Vа = Vс + Vр.
Відношення повного об’єму циліндра до об’єму камеристиску називається ступенем стиску.
Ступінь стиску показує, у скільки разів зменшується об’єм робочої суміші (або повітря) при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ. У сучасних дизелях ступінь стиску становить 15…20, а в карбюраторних двигунах відповідно 6…9.
Сума робочих об’ємів всіх циліндрів двигуна називається літражем двигуна Vл.
Робочий цикл двигуна — сукупність послідовних процесів, починаючи з впуску пальної суміші або повітря, далі — стиску і згоряння, розширення та випуску відпрацьованих газів, які проходять у циліндрах та зумовлюють його роботу. Робочі цикли періодично повторюються в кожному циліндрі працюючого двигуна.
Частина робочого циклу, яка проходить за час переміщення поршня між мертвими точками, називається тактом.
Чотиритактними називаються такі двигуни, в яких робочий цикл відбувається за чотири ходи поршня — такти (два оберти колінчастого вала), двотактними — за два ходи (один оберт).
2.3. РОБОЧИЙ ПРОЦЕС ЧОТИРИТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ
Робочий цикл чотиритактного дизеля здійснюється так.
Впуск. Впускний клапан 4 (рис. 2.3, а) відкритий, а випускний 6 — закритий. Поршень 2 переміщується в циліндрі 3 від ВМТ до НМТ, створюючи в циліндрі розрідження. Під дією різниці тиску атмосферного повітря (0,1 МПа) і відпрацьованих газів у циліндрі (0,08-0,09 МПа) свіже повітря, пройшовши повітроочисник та впускну трубу, заповнює об’єм циліндра. В кінці такту температура повітря, яке нагрівається від деталей двигуна та відпрацьованих газів, підвищується до 30…50°С.
Стиск. Впускний і випускний клапани закриті (рис. 2.3, б). Поршень переміщується від НМТ до ВМТ. Повітря стискається, зменшуючись в об’ємі, і в кінці такту все повітря зосереджується в камері стиску. При цьому тиск повітря зростає до 3,5…4,0 МПа, а температура до 600…700°С. Чим більше стискається повітря, тим сильніше буде спалах після впорскування палива, відповідно зростатиме потужність двигуна і його економічність.
Наприкінці такту стиску в камеру згоряння із дуже стиснутим й нагрітим повітрям паливний насос високого тиску 1 впорскує через форсунку 5 дизельне, добре розпилене паливо, яке одразу ж спалахує.
Подача палива в камеру згоряння через форсунку починається за 15…30° повороту колінчастого вала до ВМТ. Це потрібно для забезпечення деякого інтервалу від початку самозаймання палива до повного згоряння робочої суміші, протягом якого тиск в камері згоряння зростає до 6,0…9,0 МПа, а температура підвищується до1800…2000°С. Максимальні значення тиску та температури спостерігаються в момент переміщення поршня у ВМТ.
Розширення (робочий хід). Впускний і випускний клапани закриті (рис. 2.3, в). Поршень під тиском розширених газів, що утворилися при згорянні робочої суміші, рухається від ВМТ до НМТ і через шатун 7 обертає колінчастий вал 8. Сила тиску газів на днище поршня досягає значної величини. При переміщенні поршня до НМТ тиск газів зменшується до 0,4…0,5 МПа, а температура знижується до 700…900°С.
Випуск. Впускний клапан закритий, випускний відкритий V (рис. 2.3,г). Поршень (за рахунок інерції маховика) рухається від НМТ до ВМТ і виштовхує відпрацьовані гази з циліндра через випускну грубу в атмосферу. В кінці такту тиск в циліндрі становить 0,11 …0,12 МПа, температура 400…500°С.
Після проходження поршня через ВМТ випускний клапан закривається, тобто, випуск закінчується. Потім знову починаєтьсявпуск і всі такти повторюються.
Таким чином, робочим є тільки такт розширення, а інші (впуск, стиск, випуск) допоміжні.
Компетенція №3-4 Порядок роботи циліндрів багатоциліндрових двигунів
Конспект
Сучасні двигуни для автомобілів і тракторів виконують багатоциліндровими. Пояснюється така тенденція тим, що зі збільшенням числа циліндрів рівномірно обертається колінчастий вал, бо в одноциліндровому чотиритактному двигуні робочий хід відбувається тільки в продовженні половини обороти колінчастого валу, а решта півтора обороту циклу він повинен рухатися за рахунок енергії, отриманої при робочому ході. трохи краща в цьому відношенні ситуація у двотактного двигуна. Але і у нього 50% часу циліндр не працює на поршень.
Рівномірне обертання колінчастого вала в багатоциліндрові двигуні досягається тим, що в ньому робочі ходи в циліндрах виконуються не в один час, а в певній черговості. Послідовність чергування однойменних тактів в різних циліндрах називається порядком роботи двигуна.
Порядок роботи двигунів залежить від числа циліндрів і характеру їх розташування – в один ряд (рядні) або в два ряди (V-подібні).
Для чотиритактних рядів двигунів можливі порядки роботи: двоциліндрового 1-2 трьохциліндрового 1-3-2 чотирициліндрового 1-2-4-3 або 1-3-4 – 2 шестицилиндрового 1-5-3 – 6 – 2 – 4 або 1-4-2-6-3-5. Для чотиритактних двигунів дворядних V-образних: шестицилиндрового 1 л (лівого блоку) -1п (правого блоку) -2л-2п-Зл-Зп або 1л -Зл-2л -2п-1п-Зп, восьмицилиндрового 1л-Зл-Зп-2л – – 2п- 1п-4л-4п і т. д.
Робочий цикл в цих двигунах відбувається в кожному циліндрі окремо незалежно від числа циліндрів.
Одноциліндрові двигуни, незважаючи на простоту конструкції, малі розміри і невисоку вартість, для роботи на автомобілях в даний час не застосовуються, так як їм властиві такі недоліки:
– Нерівномірна робота через рідкісного чергування тактів розширення;
– При однаковій потужності розміри і маса циліндра і рухомих частин виходять більшими, ніж в багатоциліндрових двигунах внаслідок більш високих інерційних навантажень, затруднительности підвищення потужності двигуна збільшенням частоти обертання і більшу схильність двигуна до детонації;
– Несприятливі умови сумішоутворення і наповнення; погана прийомистість двигуна; велика питома маса, т. е. маса, яка припадає на одиницю розвивається двигуном потужності.
Прагнення усунути недоліки одноциліндрового двигуна призвело до створення багатоциліндрового двигуна.
На сучасних автомобілях застосовують чотирьох-, шести-, восьми- і 12-циліндрові двигуни. Найбільш поширені схеми компоновок циліндрів двигунів представлені на рис. . При однорядних схемах компонування осі циліндра займають строго вертикальне положення (це двигуни автомобілів ВАЗ -2106 «Жигулі», ГАЗ -24-10 І -3102 «Волга» і ін.) Або розташовані під деяким кутом а до вертикалі, що знаходяться в межах 15-20 ° (це двигун автомобіля «Москвич-2140»), що дозволяє зменшити висоту двигуна і зручніше розташовувати його прилади та обладнання.
На більшості вантажних автомобілів застосовують дворядну V-образну компоновку циліндрів (це двигуни автомобілів ЗІЛ -130 КамАЗ-5320 MA3-5335 «Урал-4320» і ГАЗ -53-12. Поряд з цим застосовується також і дворядна компоновка (рис. 1.5 г) під кутом 180 ° з протилежними циліндрами. Двигуни з таким розташуванням циліндрів іноді називають оппозітнимі, вони зручно розташовуються під підлогою кузова, наприклад в автобусах.
Мал. 1. Поздовжній розріз рядного двигуна ВАЗ -2121: 1-піддон картера; 2-колінчастий вал; 3-блок циліндрів; 4-вентилятор; 5-ланцюгової привід; 6 повітряний фільтр; 7- кришка головки циліндрів; 8- розподільний вал; 9- головка циліндрів; 10 поршень; 11- шатун; 12- маховик
Багатоциліндрові двигуни (рис. 1 і 2) складаються як би з декількох одноциліндрових двигунів, конструктивно об’єднаних в одне ціле і мають один загальний колінчастий вал. У такому двигуні за два оберти колінчастого вала робочих ходів буде стільки, скільки у нього циліндрів (а так як два оберти колінчастого вала відповідають 720 °, то такти робочого ходу будуть чергуватися через рівні кутові інтервали 0 в залежності від числа циліндрів г, отже, 9 = 720 /г.
Мал. 2. Поперечний розріз V-образного дизеля ЗІЛ -645:.
1 – маслозаливная пробка; 2 -форсунка; 3 – паливопровід високого тиску; 4 – впускний газопровід; 5 – штанга коромисла; 6 – кришка клапана; 7 – впускний клапан; 8 – головка циліндрів; 9 – випускний газопровід; 10 – поршень; 11 – компресійне кільце; 12 – блок циліндрів; 13 – малос’емное кільце; 14 – гумове ущільнення; 15 – шатун; 16 – картер; 17- колінчастий вал; 18 – фільтр тонкого очищення масла; 19 – гільза циліндра; 20- пружина клапана; 21- випускний клапан; 22- коромисло
Наприклад, в чотирьох-, шести- і восьмициліндрових двигунах робочі ходи відбуваються відповідно через 180120 і 90 ° повороту колінчастого вала. У кожному циліндрі зазначених двигунів відбувається один і той же робочий процес, але однойменні такти відбуваються в різні моменти часу, при цьому чергування тактів в циліндрах двигунів вибирають так, щоб забезпечити рівномірний розподіл навантаження на підшипники колінчастого вала і плавну роботу двигуна. Послідовність чергування однойменних тактів в циліндрах двигуна протягом його робочого циклу називається порядком роботи двигуна. Прийнято вказувати порядок роботи двигуна по чергуванню тактів робочого ходу, починаючи з першого циліндра.
Порядок роботи двигуна багато в чому залежить від типу двигуна і числа циліндрів. Так, у колінчастого вала рядного чотирициліндрового двигуна кривошипи розташовані попарно під кутом 180 °, два крайніх – під кутом 180 ° до двох середнім. Відповідно поршні циліндрів 1 і 4 при роботі двигуна переміщаються одночасно в одному напрямку, а поршні циліндрів 2 і 3 – в протилежному. Порядок роботи чотирициліндрових двигунів може бути 1-3-4-2 (це у двигунів автомобілів сімейств ВАЗ , «Москвич» і ін.) Або 1-2-4-3 (це у двигунів автомобілів ГАЗ -24-10 «Волга», УАЗ -3151-01 І їх модифікацій).
Мал. 3. Схеми кривошипно-шатунного механізму рядних двигунів: а-чотирициліндрового; б – шестицилиндрового; 1-6- циліндри; I-VI-кривошипи колінчастого вала відповідно циліндрів 1-6
Чотирициліндровий двигун може мати й інший порядок роботи при тому ж розташуванні кривошипів колінчастого вала, але при іншому порядку відкриття і закриття клапанів, що залежить від конструкції механізму газорозподілу.
У шестициліндровому рядном двигуні шатунні шийки колінчастого вала (рис. 3 б) розташовані попарно в трьох площинах. Такти у всіх циліндрах двигуна відповідно до розташування кривошипів починаються і закінчуються НЕ одночасно, як в чотирициліндровому двигуні, а зміщуються в одній парі циліндрів відносно іншої на кут 120 і, отже, робочі ходи перекриваються на 1/3 ходу поршня, забезпечуючи тим самим більш рівномірне обертання колінчастого вала.
Найбільш поширеним порядком роботи карбюраторного шестицилиндрового рядного двигуна є 1-5-3-6-2-4 (це у двигунів автомобілів ЗІЛ -157КД,. ГАЗ -52-04). Можливі й інші порядки роботи карбюраторного шестицилиндрового двигуна.
Для шестициліндрових дизелів найбільш досконалим є V-подібний варіант двигуна з розвалом циліндрів під кутом 90 ° (рис. 4 а) і з порядком роботи 1-4-2-5-3-6 (це двигун ЯМЗ -236 ). Широке поширення дизелів і карбюраторних двигунів з V-подібним розташуванням циліндрів є наслідком переваг компонувальних схем цього типу в порівнянні з компонувальними схемами рядних двигунів.
До переваг таких двигунів слід віднести їх меншу висоту і габаритну довжину, що дає можливість поліпшити компоновку автомобіля в цілому.
Недоліками V-образних двигунів є більш складна виливок блоку і збільшення габаритної ширини його в порівнянні з рядним двигуном.
На вантажних автомобілях ЗІЛ -130. ГАЗ -53-12 Камае-5320 та ін. Встановлено восьмициліндрові V-подібні двигуни (рис. 4), циліндри яких розташовані в два ряди по ходу автомобіля. Кут розвалу між рядами циліндрів становить 90 °. Один ряд циліндрів дещо зміщений відносно іншого ряду, що обумовлено установкою двох шатунів на кожну шийку колінчастого вала. На кожній шатунной шийці колінчастого вала встановлено по два шатуна, які пов’язані з поршнями правого і лівого рядів циліндрів.
Чергування тактів в восьмициліндровому V-образному двигуні з порядком роботи 1-5-4-2-6- 3-7-8 приведено в табл. 1.2 з якої видно, що при зазначеному порядку роботи робочі ходи йдуть один за іншим з перекриттям на ‘/г ходу поршня. Це забезпечує не тільки рівномірне обертання колінчастого вала, а й урівноваження сил інерції, що виникають в процесі роботи восьмицилиндрового двигуна.
Мал. 5. Схеми кривошипного механізму V-образних двигунів: о- шестицилиндрового; б – восьмицилиндрового; 1-8- циліндри; I-VIII- кривошипи колінчастого вала відповідно циліндрів 1-8
-.
У одноциліндровому чотиритактному двигуні один робочий хід відбувається за два оберти колінчастого вала, тому колінчастий вал обертається нерівномірно, незважаючи на наявність маховика.
Сучасні автомобільні двигуни виконують чотирьох-, шести- і восьмициліндровими і рідше десяти- і дванадцятициліндровими (БелАЗ). Розташування циліндрів може бути однорядним і дворядним V-образним (рис. 6).
При тому ж літражі V-подібне розташування циліндрів дозволяє зменшити габарити двигуна в порівнянні з рядним розташуванням циліндрів, а отже, більш зручно розташувати місце водія і органи управління.
У багатоциліндрові чотиритактному двигуні за два оберти колінчастого вала (720 °) робочих ходів буде стільки, скільки циліндрів має двигун.
Таким чином, в чотирьох-, шести- і восьмициліндрових двигунах робочі ходи повинні відбуватися відповідно через 180120 і 90 ° повороту колінчастого вала.
Потужність, що розвивається газами всередині циліндрів двигуна, називають індикаторної, а потужність, що отримується на колінчастому валу двигуна, – ефективною.
Ефективна потужність менше індикаторної на величину потужності, що витрачається на тертя в двигуні і приведення в дію газорозподільного механізму, вентилятора, водяного, масляного і паливного насосів, генератора струму та інших допоміжних механізмів.
Мал. 6. багатоциліндрові двигуни:
а – рядне розташування циліндрів, 6-V-подібне розташування циліндрів, в, г, д – нумерація циліндрів V-образних чотирьох-, шести- і восьміціліндро-вого двигунів; 1-8 – номери циліндрів
Величини крутного моменту і ефективної потужності тим більше, чим більше літраж двигуна (діаметр і число циліндрів, довжина ходу поршня), наповнення циліндрів горючою сумішшю і ступінь стиснення. У дизелів ефективна потужність залежить від моменту вприскування палива, якості розпилювання і тривалості подачі палива.
Механічним коефіцієнтом корисної дії (к. П. Д.) Двигуна називають відношення ефективної потужності до індикаторної. Він тим більше, чим менше втрати на тертя в двигуні і приведення в дію допоміжних механізмів двигуна. Величина механічного к. П. Д. Автомобільного двигуна становить 070-085.
Ефективним к. П. Д. Двигуна називають відношення теплоти, перетвореної в корисну роботу, до теплоти, яка могла б виділитися при повному згорянні палива. Величина ефективного к. П. Д. Карбюраторних двигунів становить 021-028 а дизелів – 029-042.
-.
У одноциліндровому чотиритактному двигуні за два оберти колінчастого вала (720 °) відбувається тільки один робочий хід. Тому, незважаючи на наявний маховик, колінчастий вал обертається нерівномірно: прискорено під час робочого ходу і уповільнено, коли відбуваються інші три такту. Щоб усунути цей і деякі інші недоліки одноциліндрового двигуна, на тракторах і автомобілях встановлюють двигуни, які мають від двох до дванадцяти циліндрів. Циліндри можуть бути розташовані в один ряд вертикально або в два ряди під кутом один до іншого (V-образно). Дворядне розташування циліндрів дозволяє зменшити довжину і масу двигуна.
Кривошипи колінчастого вала двох- і чотирициліндрових двигунів розташовані в одній площині, т. Е. Під кутом 180 °, у восьмициліндрових – під 90 ° (рис. 9 г), а у шести- і дванадцятициліндровий – під кутом 120 °.
Мал. 7. Схеми багатоциліндрових двигунів:
а – рядне і б – V-подібне розташування циліндрів; в і г – кривошипно-шатунний механізм шести- і восьмициліндрових двигунів; 1 8 – номери циліндрів
Мал. 8. Схема (а) ц порядок роботи (б) чотирициліндрового двигуна
Поршні чотирициліндрового двигуна рухаються попарно. Наприклад, коли в першому і четвертому циліндрах вони опускаються, а в першому циліндрі відбувається робочий хід, а в четвертому – впуск), то в другому і третьому поршні піднімаються (у другому – випуск, а в третьому – стиснення).
Мал. 9. Схема порядку роботи чотиритактних багатоциліндрових двигунів
Чергування тактів робочого ходу в циліндрах двигуна називається порядком роботи циліндрів. Для досліджуваних чотирициліндрових двигунів прийнятий порядок роботи 1-3-4-2.
Зі збільшенням числа циліндрів зростає і число робочих ходів, що припадають на кожен оборот колінчастого валу, і він обертається рівномірніше. Так, наприклад, у чотирициліндрового двигуна при будь-якому положенні колін вала відбувається робочий хід в одному циліндрі, у восьмицилиндрового – одночасно в двох, а у двенадцатицилиндрового – в трьох циліндрах.
Немає коментарів:
Дописати коментар