ЛЕКЦИЯ 3

Типы двигателей, применяемых на транспортных и технологических машинах, их классификация и общее устройство

Цель: Изучить основные требования функционирования, предъявляемые к конструкции современных и перспективных ТиТМО, а также изучить классификацию подвижного состава.

Продолжительность лекции 2 часа.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЯМ

Двигатель — машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. На большинстве современных автомоби­лей установлены тепловые поршневые двигатели внутреннего сго­рания (ДВС). Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в их цилиндрах, преобразуется в механическую работу.

Двигатель является источником механической энергии, кото­рая необходима для движения автомобиля.

Условия эксплуатации ТиТМО характеризуются весьма разнообразными режимами работы их агрегатов и систем. Режимы работы двигателей могут быть установившиеся, при которых основные показатели не меня­ются с течением времени, и неустановившиеся, когда показатели изменяются во времени. Установившийся режим возможен только при равномерном движении и постоянных внешних сопротивлени­ях а эти условия на практике встречаются редко, так как момент сопротивления постоянно изменяется, что вызывает непостоянство скоростного, нагрузочного и теплового режимов двигателя.

Наиболее характерные неустановившиеся режимы работы двигателей: пуск, разгон и движение при колебани­ях нагрузки и частоты вращения, причем при любой частоте вра­щения коленчатого вала двигатель должен устойчиво работать на всех нагрузках. Поэтому кроме мощности для преодоления потерь на трение в трансмиссии и сопротивления качению двигатели должны иметь запас мощности для преодоления дополнительных сопротивлений, возникающих при трогании автомобиля с места, разгоне и преодолении подъемов. Работа двигателя на всех эксп­луатационных режимах должна быть экономичной.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Классификация двигателей. ДВС классифицируют по следую­щим признакам:

по назначению — транспортные и стационарные;

способу осуществления рабочего цикла — четырех - и двухтак­тные;

способу смесеобразования — с внешним смесеобразованием (бен­зиновые и газовые) и внутренним смесеобразованием (дизели);

способу воспламенения рабочей смеси — с принудительным вос­пламенением от электрической искры (бензиновые, газовые и др.) и воспламенением от сжатия, т. е. с самовоспламенением (дизели);

виду применяемого топлива — работающие на бензине, тяже­лом дизельном топливе (дизели), сжатом или сжиженном газе, дру­гих видах топлива;

числу цилиндров — одно - и многоцилиндровые (двух-, трех-, че­тырех-, шести-, восьмицилиндровые и т. д.);

расположению цилиндров — однорядные с вертикальным распо­ложением цилиндров или с наклоном оси цилиндров к вертикали на 20...40°; V-образные двухрядные с расположением цилиндров под углом и оппозитные с противоположным горизонтальным распо­ложением цилиндров под углом 180°;

способу наполнения цилиндров свежим зарядом — без наддува (наполнение осуществляется за счет разрежения, создаваемого в цилиндре при движении поршня от в. м.т. к н. м.т.) и с наддувом (наполнение цилиндра свежим зарядом происходит под давлени­ем, которое создается компрессором);

способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением.

Составные части двигателей. Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов кривошипно-шатунного и газо­распределения и систем охлаждения, смазочной, питания, зажига­ния, пуска.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) воспринимает давление газов и преобразует прямолинейное воз­вратно-поступательное движение поршня во вращательное движе­ние коленчатого вала.

Механизм газораспределения (ГРМ) предназ­начен для своевременного открытия и закрытия клапанов, что не­обходимо для впуска в цилиндр горючей смеси (карбюраторные и газовые двигатели) или воздуха (дизели) и выпуска отработавших газов.

Система питания служит для подачи отдельно топли­ва и воздуха в цилиндры дизеля или приготовления горючей смеси из мелко распыленного топлива и воздуха и подачи смеси в ци­линдры карбюраторного или газового двигателя.

Система охлаждения обеспечивает нормальный тепловой режим двигателя.

Смазочная система служит для подачи смазочного материала к трущимся поверхностям с целью уменьшения трения, снижения износа и отвода теплоты от контактирующих поверхно­стей.

Система зажигания обеспечивает воспламенение рабочей смеси в карбюраторных и газовых двигателях.

Система пуска служит для вращения коленчатого вала двигателя при его пуске.

Рисунок 1. Схема для определения основных параметров двигателя

Основные понятия и определения. Основные параметры двигате­ля: диаметр цилиндра, ход поршня и чис­ло цилиндров.

При одном обороте коленчатого вала двигателя (рисунок 1) поршень делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение на­правления движения поршня в цилиндре происходит в двух крайних точках, назы­ваемых мертвыми. Крайнее верхнее поло­жение поршня считают верхней мертвой точкой (в. м.т.), крайнее нижнее его положение —нижней мертвой точкой (н. м.т.).

Расстояние, проходимое поршнем от в. м.т. до н. м.т., называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S = 2R. При перемещении поршня от одной мертвой точки до дру­гой коленчатый вал поворачивается на угол 180°, т. е. совершает половину оборота.

Пространство над днищем поршня при нахождении его в в. м.т. представляет собой камеру сгорания. Ее объем обозна­чают Vc. Пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (н. м.т. и в. м.т.) называют рабочим объемом и обознача­ют Vh. Сумма объема камеры сгорания Vc и рабочего объема Vh со­ставляет полный объем цилиндра, обозначаемый Va.

Рабочий объем цилиндра, см3 или л,

(1)

где D— диаметр цилиндра, см или дм.

Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя или литра­жом:

(2)

где i — число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сго­рания Vc представляет собой степень сжатия:

или (3)

Степень сжатия — это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха, на­ходящихся в цилиндре, при перемещении поршня от н. м.т. к в. м.т. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давле­ние рабочей смеси в конце сжатия.

С увеличением степени сжатия повышаются мощность и топ­ливная экономичность двигателя. Однако повышение степени сжатия карбюраторных двигателей возможно лишь до определен­ных значений, выше которых возникают преждевременное само­воспламенение и взрывное сгорание (детонация) рабочей смеси, что снижает работоспособность двигателя.

Различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры самовоспламенения, поэтому вид топлива, на кото­ром работает двигатель, определяет пределы его степени сжатия. Автомобильные двигатели, работающие на бензине (карбюратор­ные двигатели), имеют степень сжатия в пределах 6...10, на газе — 7...9, а дизели — 15...20.

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рабочий цикл двигателя — это комплекс последовательных про­цессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Такт — это часть рабочего цикла, происходящая за время дви­жения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, называют четырех­тактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, называют двухтактными.

Рабочий цикл инжекторного (карбюраторного) четырехтактного двигателя состо­ит из последовательно происходящих тактов впуска, сжатия, рас­ширения и выпуска (рис. 2).

Рисунок 2. Рабочий цикл четырехтактного инжекторного (карбюраторного) двигателя:

а – такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г —такт выпуска; 1 — впускной клапан; 2 - искровая свеча зажигания; 3 — цилиндр; 4 — шатун; 5 — коленчатый вал; 6 — пор­шень; 7 — выпускной клапан

Такт впуска (рисунок 2, а). Поршень 6 движется от в. м.т. к н. м.т., создавая разрежение в полости цилиндра З над поршнем. Впускной клапан 1 открыт, и цилиндр через впускную трубу и карбюратор сообщается с атмосферой. Под действием разности давлений в атмосфере и цилиндре воздух, проходя через карбюра­тор, распыляет топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь. Цилиндр 3 заполняется горючей смесью после прихода пор­шня в н. м.т. К этому моменту времени впускной клапан закрыва­ется.

В начале такта впуска, когда поршень был в в. м.т., над поршнем в объеме камеры сжатия находились остаточные продукты сгорания от предыдущего цикла. Горючая смесь, заполняя ци­линдр, перемешивается с остаточными газами и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска 0,07...0,09 МПа, температура рабочей смеси 330...390 К.

Такт сжатия (рисунок 2, б). При дальнейшем повороте ко­ленчатого вала 5 поршень движется от н. м.т. к в. м.т. При этом впускной 1 и выпускной 7 клапаны закрыты. Поршень в процессе движения сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешива­ются и нагреваются. Давление в конце сжатия увеличивается до 0,9...1,2 МПа, а температура — до 500...700 К. В конце такта сжа­тия на электродах свечи 2 создается электрическая искра, от кото­рой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, в результате чего темпе­ратура газов повышается до 2700 К, а давление — до 3,0...4,5 МПа.

Такт расширения (рабочий ход) (рисунок 2, в). Оба кла­пана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в. м.т. к н. м.т. и через шатун 4 приводит во вращение коленчатый вал 5, совершая полезную работу. К концу рабочего хода давление уменьшается до 0,3...0,4 МПа, а температура — до 1200...1500 К.

Такт выпуска (рисунок 2, г). Когда поршень 6 подходит к н. м.т., открывается выпускной клапан 7 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. Далее поршень движется от н. м.т. к в. м.т. и выталкивает из цилиндра отработавшие газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11...0,12 МПа, а температура - 700...1100 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. В отличие от карбюра­торного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно (рис. 3).

Рисунок 3. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — впускной кла­пана; 2 — форсунка; 3 — выпускной клапан; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 — топливный насос высокого давления

Такт впуска (рисунок 3, а). Поршень 5 движется от в. м.т. к н. м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, пе­ремешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08...0,09 МПа, температура воздуха 320...340 К.

Такт сжатия (рисунок 3, б). Оба клапана закрыты. Пор­шень 5 движется от н. м.т. к в. м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14...18) давление в конце этого такта достигает 3,5...4 МПа, а температура —750...950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении порш­ня, близком к в. м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Фор­сунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900...2400 К, а давление - 5,5...9 МПа.

Такт расширения (рабочий ход) (рисунок 3, в). Оба кла­пана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в. м.т. к н. м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0.2...0.3 МПа, температура - до 900... 1200 К.

Такт выпуска (рисунок 3, г). Выпускной клапан 3 откры­вается. Поршень 5 движется от н. м.т. к в. м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11...0,12 МПа, температура 650...900 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

В течение рабочего цикла описанных двигателей только при рабочем ходе поршень перемещается под давлением газов и по­средством шатуна приводит во вращательное движение коленча­тый вал. При выполнении остальных тактов (выпуска, впуска и сжатия) поршень нужно перемещать, вращая коленчатый вал. Это вспомогательные такты, которые осуществляются за счет кинети­ческой энергии, накопленной маховиком во время рабочего хода. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце ко­ленчатого вала.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя. Наиболее часто применяют двухтактные карбюраторные двигатели с кривошипно-камерной продувкой. В стенке цилиндра двигателей этого типа выполнены три окна: впускное, продувочное и выпускное. Картер (кривошипная камера) двигателя непосредственно с ат­мосферой не сообщен. Впускное окно соединено с карбюратором, а продувочное — через канал с кривошипной камерой двигателя.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя происходит следующим образом. Поршень движется от н. м.т. к в. м.т., перекрывая в начале хода продувочное окно, а затем выпускное. После этого в цилиндре начинается сжатие находящейся в нем рабочей смеси. В то же время в кривошипной камере создается разрежение, и как только нижняя кромка поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру будет за­сасываться горючая смесь.

При положении поршня, близком к в. м.т., сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи. При сгорании смеси давление газов резко возрастает. Под давлением газов поршень перемещается к н. м.т. Как только он закроет впускное окно, в кривошипной камере начинается сжатие ранее поступившей сюда горючей смеси.

В конце хода поршень открывает выпускное, а затем и проду­вочное окно. Через открытое выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление газов в ци­линдре падает. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу поступает в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через вы­пускное окно наружу. В дальнейшем все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного дизеля аналогичен рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя, отличаясь лишь тем, что в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух от специального нагнетателя и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с воздухом, имеющим высокую температуру.

Сравнение показателей дизелей и карбюраторных двигателей. Ди­зель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие преимущества: для выполнения единицы работы расходуется в среднем на 25...30 % (по массе) меньше топлива; используемое топливо дешевле и менее огнеопасно. Хорошие экономические показатели дизелей обеспечили им широкое применение.

Однако вследствие более высокого давления газов в цилиндре дизеля некоторые детали его должны быть повышенной прочности, что приводит к увеличению размеров и массы дизеля. Пуск его затруднен, особенно в зимнее время.

Литература

1.  Автомобили: Конструкция и эксплуатационные свойства : учеб. пособие для студентов вузов / ; [рец.: , , ]. - Москва : Академия, 2009. - 480 с.

2.  Экология и экологическая безопасность автомобиля : учеб. для студентов, обучающихся по специальности "Автомобиле - и тракторостроение" / , , ; под общ. ред. . - Москва : ФОРУМ, 2011. - 319 с.

3.  Автомобили : эксплуатационные свойства : учеб. для студентов вузов / ; [рец. : , ]. - 2-е изд., стер.3-е изд., стер. - Москва : Академия, 2007. - 238 с.

4.  ЮГУ, 2008. – 76.

5.  Конструкции многоцелевых гусеничных и колесных машин : учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальности "Многоцелевые гусеничные и колесные машины" направления подготовки "Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы" / [ и др.] ; под ред. . - Москва : Академия, 2010. – 398.

6.  Основы конструкции и расчета автомобиля : учеб. пособие для студентов вузов / , . - Ростов на Дону : Феникс, 2006. - 303 с.

7.  Конструкция автомобиля : учеб. для вузов : в 4 т. / под общ. ред. . - Москва : Горячая линия - Телеком, 2005.

8.  Лицензирование и сертификация на автомобильном транспорте: учеб. пособие для вузов / [и др.] ; [рец. : В. И. Карагандин, ]. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва : Машиностроение, 2004. - 496 с.

9.  Основы сертификации. Автомобильный транспорт : учеб. для студентов вузов / , ; ред. . - Москва : Академкнига, 2005. - 336 с.

10.  Автомобильный справочник : пер. с англ. / [пер.:, , ; рец.: и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : За рулем, 2004. - 991 с.

11.  Автомобили. Основные термины : толк. слов.: более 4000 терминов / , . - Москва : Астрель : АСТ, 2002.

12.  Справочник автолюбителя : справочное издание / [отв. исполн. ]. - Минск : Харвест, 2004. - 287 с.

13.  Автомобильный справочник-энциклопедия : [ок. 3 000 назв. и терминов] / , . - Москва : ФОРУМ, 2011. – 286.

14.  Автомобили и тракторы : крат. справ. / , . - Москва : Академия, 2008. - 379, [2] с. : ил. - (Непрерывное профессиональное образование. Справочник). - Библиогр.: с. 379, 380.