Автомобильные двигатели (АД) (стр. 3 )

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем свежего заряда в цилиндре при перемещении поршня от НМТ к ВМТ.

В бензиновых двигателях степень сжатия находится в пределах 6,5–10, а в дизе­лях – 14–21.

Одним из недостатков АД является токсичность их выхлопных газов, которые являются основными загрязнителями воздушного бассейна особенно в крупных городах. При работе АД выделяются следующие основные ток­сичные вещества: оксиды азота NOX, оксид углерода СО, углеводороды СХНХ, сажа, соединения серы и др.

В современных условиях уменьшение токсичности выхлопных газов АД достигается совершенствованием процессов смесеобразования и сгора­ния, применением моторных топлив улучшенного качества и альтернативных видов топлива, нейтрализацией отработавших газов.

1.4  Конструктивные показатели автомобильных двигателей

К конструктивным показателям, характеризующим степень совершен­ства конструкции двигателя, относятся: число цилиндров (i); расположение цилиндров (рядные (Р), V-образное); диаметр поршня (D); ход поршня (S); длина шатуна (l); радиус кривошипа (R) коленчатого вала; рабочий объем цилиндра (Vh); литраж двигателя (VH); отношения Ψ= S/D и λ= R/l; конст­руктивная (сухая) масса (G) двигателя; удельная масса двигателя (qN); литро­вая масса двигателя (qл).

Такие показатели, как рабочий объем цилиндра, число цилиндров, диа­метр цилиндра, ход поршня, радиус кривошипа и длина шатуна определяют основные размеры автомобильных двигателей (габариты) и их массу.

Удельная масса АД qN представляет собой отношение сухой массы двига­теля G к его эффективной мощности Ne

qN =G /Ne кг/кВт.

Удельная масса характеризует легкость конструкции, напряженность деталей и степень совершенства рабочего процесса АД.

Литровая масса – это отношение сухой массы двигателя к рабочему объему (литражу) двигателя.

qл = G/VH кг/л.

Литровая масса характеризует степень совершенства конструкции АД, качество применяемых материалов при изготовлении АД.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра Ψ= S/D является од­ним из основных конструктивных показателей АД. При Ψ < 1 – двигатели яв­ляются короткоходными, а при Ψ > 1 – длинноходными.

Уменьшение отношения S/D позволяет уменьшить высоту двигателя и его массу, увеличить частоту вращения коленчатого вала, повысить срок службы и др.

Отношение λ= R/l является характеристикой кривошипного механиз­ма АД, по которой производится выбор длины шатуна. Так, например, при уменьшении характеристики λ (увеличении длины шатуна) уменьшаются силы инерции, уменьшается сила бокового давления поршня на стенку ци­линдра и его износ. Однако при этом увеличиваются масса и габариты двига­теля. Таким образом, конструктивные показатели АД оказывают существен­ное влияние на их рабочий процесс, на тепловую и динамическую напряжен­ность деталей АД.

1.5  Рабочие циклы автомобильных двигателей

При работе двигателя в его цилиндре происходит ряд последователь­ных процессов: впуск, сжатие, рабочий ход (расширение) и выпуск. Из них впуск, сжатие и выпуск являются вспомогательными процессами, обеспечи­вающими получение рабочего хода.

Совокупность этих последовательных, периодически повторяющихся процессов, обеспечивающих работу двигателя, называется рабочим или дей­ствительным циклом.

Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.

Двигатель, в котором цикл работы происходит за четыре хода поршня (такта) или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным, а за два хода поршня (такта) или за один оборот коленчатого вала – двухтакт­ным.

В настоящее время на автомобилях применяются в основном четырех­тактные двигатели.

1.5.1  Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рассмотрим рабочий цикл одноцилиндрового двигателя (рис. 1).

Первый такт – «впуск». При вращении коленчатого вала поршень пере­мещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, а выпускной – закрыт (клапаны открывают и закрывают соответствующие газовые каналы в голов­ке цилиндров под действием впускного и выпускного кулачков газораспре­делительного вала). В цилиндре создается разряжение (давление в цилиндре меньше атмосферного) величиной 0,07–0,09 МПа, и горючая смесь, состоя­щая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр, где она смешивается с остаточными газами, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси вследствие подогрева от кон­такта с нагретыми деталями двигателя и от остаточных газов повышается и в конце впуска составляет величину 350–400 К (75–125 °С).

Чем лучше наполнение цилиндра свежим зарядом, тем выше мощность двигателя. Наполнению цилиндра мешают высокая температура деталей ка­меры сгорания и остаточные газы.

Второй такт – «сжатие». Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, при этом оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 0,9–1,5 МПа и 500–700 К (350–500 °С).

При этом температура газов свежего заряда не должна превышать температуру самовоспламенения топлива и возникновению детонационного его сгорания.

Третий такт – «рабочий ход» (расширение). Этот такт включает процессы сгорания топлива и расширения газов (продуктов сгорания).

Сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, которая создается на электродах свечи зажигания. Пламя со скоростью 30–50 м/с (нормальное горение) распространяется по всему объему камеры сгорания. При этом быстро повышаются давление и температура продуктов сгорания топлива.

Максимальное давление газов при сгорании (при положении поршня в ВМТ) достигает 3–5 МПа, а температура 2300–2700 К (2100–2500 °С).

Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая крутящий мо­мент, заставляющий вал вращаться.

В конце расширения открывается выпускной клапан, давление в ци­линдре снижается до 0,3–0,5 МПа, а температура – до 1200–1500 К (1000–1200 °С).

Четвертый такт – «выпуск». Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, вы­пускной клапан открыт. Отработавшие газы (ОГ) выходят из цилиндра в ат­мосферу через выпускную систему (выпускные трубы, глушитель и др.). К концу такта давление в цилиндре снижается до 0,11–0,12 МПа, а температу­ра – до 1000–1100 К (700–800 °С).

При такте выпуска не достигается полная очистка цилиндра от ОГ, по­этому в конце выпуска давление остаточных газов в цилиндре составляет 0,105–0,120 МПа.

Четвертым тактом рабочий цикл двигателя заканчивается. При враще­нии коленчатого вала и движении поршня цикл повторяется в той же после­довательности.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начинает работать, впуск, сжатие и выпуск происходит за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

1.5.2  Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

(без наддува)

Последовательность чередования тактов дизеля такая же, как и в четы­рехтактном бензиновом двигателе.

При впуске поршень движется от ВМТ к НМТ. Открыт впускной кла­пан. За счет образующегося разряжения в цилиндр поступает воздух. Давле­ние в цилиндре 0,085–0,095 МПа, а температура – 310–340 К (40–70 °С).

При такте сжатия поршень движется вверх от НМТ к ВМТ. Оба клапа­на закрыты. Давление и температура воздуха достигают в конце такта значе­ний 3,5–5,5 МПа, и 700–900 К (450–650 °С).

Когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через форсунку впрыски­вается дизельное топливо под давлением 13–18,5 МПа, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. Максимальное давление газов достигает 6–9 МПа, а температура 1800–2200 К (1600–2000 °С).

В конце расширения давление снижается до 0,2–0,4 МПа, а темпера­тура – до 1000–1200 К (800–1000 °С).

При такте выпуска поршень перемещается от НМТ к ВМТ, открыт вы­пускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 0,11–0,12 МПа.

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл.

1.6  Индикаторные диаграммы рабочих циклов автомобильных двигателей

Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением тем­пературы, давления и объема газообразного рабочего тела (продуктов сгорания топлива), посредством которого, тепловая энергия превращается в меха­ническую в результате силового воздействия нагретого рабочего тела на поршень двигателя.

Изменение давления газов внутри цилиндра за цикл может быть пред­ставлено графически в виде индикаторной диаграммы, которую можно полу­чить при испытаниях двигателя с помощью специального прибора – индика­тора давления или при помощи теплового расчета рабочего цикла автомо­бильного двигателя.

Индикаторная диаграмма, представленная в координатах р – V (давле­ние – объем), называется «свернутой», а в координатах р – α (давление – угол поворота кривошипа коленчатого вала) – «развернутой».

1.6.1  Индикаторная диаграмма четырехтактного бензинового

двигателя в координатах р – V

На рис. 2 представлена индикаторная диаграмма изменения давления газов в цилиндре двигателя при всех четырех тактах, а на рис. 3 – диаграмма фаз газораспределения. На горизонтальной оси (абсцисс) откладывают объе­мы, занимаемые газом в цилиндре при различных положениях поршня, а на вертикальной оси (ординат) – давление газов в цилиндре.

Индикаторная диаграмма содержит линии соответствующих процессов (тактов) и их характерные точки (а, с, z, b, r), определяющие начало и конец этих процессов (тактов), совершаемых в цилиндре за один ход поршня. При этом положение характерных точек линий соответствующих тактов совпадают с положением поршня в ВМТ и НМТ (рис. 2).