Вмт что это
12.Принцип работы двигателя. Основные определения. Вмт, нмт, ход
поршня, объемы, степень сжатия, такт, цикл, порядок работы 4-х тактного двигателя.
Принцип работы.
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ.
Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и их давление. Так как давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы расширятся, совершая полезную работу. Работа, производимая расширяющимися газами, посредством кривошипно-шатунного механизма передается коленчатому валу, а от него на трансмиссию и колеса автомобиля.
Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан 15 и топлива через форсунку 16 или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через выпускной клапан 17. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
Такт впуска - Впускается топливо-воздушная смесь
Такт сжатия - Смесь сжимается и поджигается
Такт расширения - Смесь сгорает и толкает поршень вниз
Такт выпуска - Продукты горения выпускаются
Принцип действия. Сгорание топлива происходит в камере сгорания, которая расположена внутри цилиндра двигателя, куда жидкое топливо вводится в смеси с воздухом или раздельно. Тепловая энергия, полученная при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. Продукты сгорания удаляются из цилиндра, а на их место всасывается новая порция топлива. Совокупность процессов, происходящих в цилиндре от впуска заряда (рабочей смеси или воздуха) до выпуска отработанных газов, составляет действительный или рабочий цикл двигателя.
Основные понятия и термины. Мертвые точки - это крайние положения, занимаемые поршнем при его движении. Наиболее отдаленное положение поршня от оси коленчатого вала называется верхней мертвой точкой (ВМТ), наиболее близкое положение - нижней мертвой точкой (НМТ).
Ход поршня - это расстояние между крайними положениями поршня, равное двойному радиусу кривошипа.
Рабочий объем цилиндр - это объем, освобождаемый в цилиндре при перемещении поршня от ВМТ до НМТ.
Объем камеры сжатия - это объем пространства, образуемого над поршнем при положении его в ВМТ.
Полный объем цилиндра - это сумма рабочего объема и объема камеры сжатия.
Степень сжатия - это отношение полного объема цилиндра к объему камеры с
Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.
Второй такт- такт сжатия Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.
Третий такт- рабочий ход Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля. После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии. Четвертый такт - такт выпуска
Четвертый тактработы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси. После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.
studfiles.net
Как работает двигатель внутреннего сгорания, описание процессов
Цикл работы двигателя замкнутый. Возможна организация работы ДВС с кривошипно-шатунным механизмом по двух и четырехтактному циклу. Но подавляющее большинство автомобильных двигателей внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу. Рассмотрим, каким образом происходит эта работа.
Но для начала немного терминологии
Коленчатый вал вращается. Соединенный с ним поршень совершает в цилиндре движение вверх — вниз. Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Это верхняя мёртвая точка (сокращенно ВМТ) и нижняя мёртвая точка (НМТ).
Перемещение поршня от одного крайнего положения до другого называется тактом. Следовательно у четырехтактного двигателя цикл работы выполняется за четыре движения поршня вверх-вниз, что соответствует двум оборотам коленчатого вала.
Если умножить площадь торца (днища) поршня на расстояние между ВМТ и НМТ получим, так называемый, рабочий объем цилиндра, обозначаемый Vh.
Если умножить рабочий объем цилиндра на количество цилиндров в двигателе получается тот самый рабочий объем двигателя. Эта цифра в литрах всегда фигурирует среди технических параметров автомобиля. Многие автопроизводители гордо выносят эту цифру на шильдик, располагая его на задней части автомобиля (часто цифру привирают).
Цифра указывающая на рабочий объем двигателя
Объем над поршнем, когда он замер в ВМТ, называют объемом камеры сгорания (Vс). Именно в этом объеме начинается горение смеси паров топлива и воздуха. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра называется полным объемом цилиндра :Va = Vh + Vс.
Следующий важный параметр двигателя, это геометрическая степень сжатия. Обозначается ε. Она показывает, во сколько раз изменяется объем над поршнем, когда он перемещается от НМТ к ВМТ, ε = Va/Vc. Чем больше ε, тем выше температура и давление в смеси газов над поршнем при приближении его к ВМТ. Повышение степени сжатия делает двигатель экономичнее и увеличивает его мощность.
Но величина ε зависит от топлива, на которое рассчитан двигатель. Для двигателя, работающего на бензине ε = 6 – 10, для газовых ε = 7 – 9, для дизельных ε = 15 – 20. Отсюда видно, почему бензиновый двигатель легко переоборудовать для работы на газе. У дизелей такое высокое значение ε необходимо для того, чтобы обеспечить самовоспламенение топлива.
Ну а теперь непосредственно о рабочем цикле
Первый такт цикла носит название «впуск». Поршень движется от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт, и через него в цилиндр поступают пары бензина смешанные с воздухом, так называемая горючая смесь (у дизельного двигателя – чистый воздух).
Второй такт – сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ, рабочая смесь (горючая смесь и остатки продуктов горения от предыдущего цикла) сжимается. Когда поршень приближается в ВМТ, у бензиновых двигателей между контактами свечи зажигания проскакивает электрическая искра для поджигания смеси.
Почему искра подается не в ВМТ, а раньше?
Дело в том, что перед началом горения должны пройти реакции, подготавливающие смесь к горению. Интенсивное горение смеси должно начаться только когда поршень достигнет ВМТ. Время на подготовительные реакции всегда одинаковое, а скорость перемещения поршня изменяется при изменении оборотов коленчатого вала. Поэтому приходиться изменять момент подачи искры, изменять, так называемый «угол опережения зажигания».
Меняется угол опережения зажигания
У дизельных двигателей при приближении поршня к ВМТ через специальную форсунку в надпоршневое пространство под высоким давлением впрыскивается топливо. Пока поршень дойдет до ВМТ, топливо должно испариться, перемешаться с воздухом, приготовиться к горению и начать гореть, когда поршень окажется в ВМТ.
Время на подготовку также постоянное, поэтому на высоких оборотах топливо впрыскивается раньше. Изменяется так называемый «угол опережения впрыска».
Третий такт – рабочий ход. Клапаны закрыты. Смесь интенсивно горит, её давление, и температура резко повышаются. Под действием давления поршень движется от ВМТ к НМТ и подталкивает коленчатый вал, подпитывая его энергией.
Четвертый такт – выпуск. Выпускной клапан открыт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и отработанные газы выдавливаются из цилиндра.
Цикл закончился и начинается следующий. Следует заметить, что подпитка энергией коленчатого вала происходит только во время такта рабочего хода. Во время всех остальных тактов поршень перемещается (так называемые насосные ходы) за счет энергии, накопленной коленчатым валом от предыдущих рабочих циклов.
Как работает двигатель внутреннего сгорания — видео:
То есть в течение двух оборотов коленчатого вала подпитка его энергией происходит только пол-оборота. Это одна из причин невысокого коэффициента полезного действия четырехтактных двигателей.
avto-i-avto.ru
Глава 1 — Двигатель | whatisvehicle
Итак, начнём. Двигатель автомобиля (Engine), что же это такое?
Автомобиль – сложный организм, сродни человеческому. У него много различных механизмов(органов), без которых он не будет работать. Но как и у человека, у автомобиля есть «сердце» и этим сердцем является автомобильный двигатель.
История автомобильного двигателя
Чуть-чуть истории. Двигатель прошёл долгую историю развития. По сути, первыми двигателями являлись парус и водяное колесо. Водяным колесом широко пользовались в странах Древнего мира(таких как Египет, Китай, Индия) для оросительных систем, а в средние века в Европе использовали как основу энергетической базы производства. Дальше появились двигатели внешнего сгорания. Широкое распространение получили паровые двигатели.
Паровой двигатель(Steam engine) — двигатель ВНЕШНЕГО сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Советую почитать очень интересную и непростую историю развития данного двигателя: http://www.bibliotekar.ru/encAuto/5.htm
Далее в процессе развития двигателей появились двигатели внутреннего сгорания, ДВС. Одним из них, нашедший наибольшее распространение — бензиновый двигатель.
Бензиновые двигатели (petrol engine, gasoline engine) — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая смесь топлива(бензина) и воздуха поджигается электрической искрой. Главное преимущество бензинового двигателя заключается в малой массе и быстром запуске, поэтому он вытеснил паровые двигатели, а теперь он широко используется в автомобилях.
Позже появились дизельные двигатели.
Дизельный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распыленного дизельного топлива от соприкосновения с разогретым сжатым воздухом. Плюсом является экономичность топлива, более высокий крутящий момент. Однако, минусом является сложность систем, дороговизна изготовления и эксплуатации.
Ну и заглянем в будущее автомобилей. Итак, существуют так же электрические двигатели.
Электрический двигатель — Это установка, в которой электрическая энергия превращается в механическую работу и тепло. Это развивающееся направление в автомобилестроении. Однако, на дорогах большинство машин имеют бензиновый или дизельный двигатель, поэтому, оставим будущее и вернёмся к настоящему.
Принцип действия
Итак, автомобильный двигатель. Прежде чем рассматривать его устройство, давайте чуть-чуть разберёмся с тем, как работает автомобильный двигатель не вдаваясь в детали.
У каждого двигателя есть свой рабочий цикл.
Рабочий цикл двигателя — периодически повторяющиеся процессы в двигателе по преобразованию тепловой энергии в механическую.
У каждого двигателя есть цилиндры, в которых ходят поршни. Это главное место, где происходит самый главный процесс.
ВМТ — Верхняя Мёртвая Точка.
НМТ — Нижняя Мёртвая Точка.
Такт — это движение поршня от ВМТ к НМТ или от НМТ к ВМТ;
Двигатели могут быть двухтактные и четырёхтактные. Двухтактные двигатели на автомобиле не используются, однако предлагаю быстренько ознакомиться с принципом их работы. Для общего образования, так сказать.
Двухтактные двигатель
Перед нами двухтактный двигатель. Здесь всё предельно просто.
Первый такт — Поршень двигателя движется вверх(картинка А), открывает отверстие(1) и сжимает смесь, которая уже находится в цилиндре. После чего, свеча зажигания воспламеняет горючее(картинка В).
Второй такт — После загорания опускающийся поршень(картинка С) сначала открывает выпускное отверстие(2), а затем переходное отверстие(3). После этого через него впускается новая порция воздушно-топливной смеси.
Таким образам поршень также заменяет клапаны двигателя, и в горючее добавляется масло для смазки поршня. Многие двухтактные двигатели снабжены ребрами для воздушного охлаждения цилиндра.
Четырёхтактный двигатель
А теперь вернёмся к четырёхтактном автомобильному двигателю.
Автомобильные двигатели, как мы уже сказали, могут быть бензиновыми и дизельными. И поэтому предлагаю рассмотреть их такты вместе. Несмотря на то, что они схожи, но в них есть так же и различия.
1-й такт впуск (наполнение).
Поршень движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт. Под действием перепада давления, возникающего в результате движения поршня:
Бензиновый двигатель: бензовоздушная смесь через впускной канал наполняет цилиндр.
Дизельный двигатель: воздух через впускной канал наполняет цилиндр.
2-й такт сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, все клапана закрыты. Давление и температура в цилиндре поднимаются.
бензиновый двигатель: в конце такта сжатия на свечу зажигания подается высокое напряжение, между электродами свечи проскакивает искра и поджигает бензовоздущную смесь
дизельный двигатель: через форсунку высокого давления подается дизельное топливо, которое воспламеняется от нагретого в процессе сжатия воздуха.
3-й такт рабочий ход. Поршень движется от ВМТ к НМТ, все клапана закрыты. В начале такта продолжается сгорание топлива, начавшееся в конце такта сжатия. Температура и давление газов повышается. Давление передается поршню и перемещает его к НМТ. Тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую работу движения поршня.
4-й такт выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выпускной клапан открыт. Происходит выталкиваниеотработавших газов из цилиндра.
Для большей наглядности взгляните на следующие рисунки:
Такты бензинового двигателя:
Такты дизельного двигателя:
Таким образом 1 рабочий цикл 4-х тактного двигателя происходит за 2 оборота коленчатого вала (720° его поворота). Отличие между бензиновым и дизельным двигателем лишь в топливе и способе его воспламенении на такте сжатия. Однако, это вносит свои изменения в применяемые агрегаты, но об этом речь пойдёт потом.
Двигатели почти всех современных автомобилей являются четырёхтактными по своему циклу работы, и энергия, полученная от сжигания топлива, почти полностью преобразовывается в полезную. Цикл Отто, так называется подобный принцип, по имени Николауса Отто, изобретателя двигателя внутреннего сгорания (1867 год).
Основные параметры
Полный объем цилиндра ( Va ) — объем, заключенный между головкой, цилиндром и поршнем при нахождении его в НМТ;
Объем камеры сжатия ( VC ) — объем, заключенный между головкой, цилиндром и поршнем при нахождении его в ВМТ;
Рабочий объем цилиндра ( Vh ) — объем, образующийся при движении поршня от ВМТ к НМТ ( Vh = Va-Vc );
Полный объем двигателя ( iVh ) сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя; Он же литраж двигателя.
Степень сжатия ( E ) отношение полного объема к объему камеры сжатия ( E = Va/Vc = 1 + Vh/Vc );
Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимают горючую смесь в цилиндре. Чем больше степень сжатия, тем больше будет давление на поршень при сгорании смеси, а следовательно и больше мощность двигателя. Увеличивать степень сжатия очень выгодно — от той же порции топлива можно получить больше полезной работы. Однако при чрезмерном увеличении степени сжатия наступает самовоспламенение рабочей смеси, и смесь сгорает с большой скоростью — происходит детонация топлива. Детонация — это недопустимо быстрое сгорание рабочей смеси, вызывающее неустойчивую работу двигателя. У двигателя при детонации появляется резкий стук, мощность его снижается, из глушителя выходит черный дым. Конструкторы изыскивают способы борьбы с детонацией топлива и постепенно повышают степень сжатия. В зависимости от степени сжатия применяют определенный сорт топлива.
Мощность двигателя
Мощность — это физическая величина, равная отношению работы, совершенной за определенное время, к этому времени. В системе единиц СИ мощность измеряется в Ваттах (Вт). Поднимая груз массой 1 килограмм на высоту 1 метр за 1 секунду, мы развиваем мощность 1 кг x 9,8 м/с2 x 1 м/с = 9,8 Вт.
Мощность автомобильных двигателей обычно измеряют в лошадиных силах.
Термин «лошадиная сила» был введен в конце XVIII в. английским изобретателем Дж. Уаттом. Наблюдая за работой лошадей, вытягивающих из угольных шахт при помощи блоков корзины с углем, ученый измерил общий вес извлеченной ими породы и высоту, на которую он был поднят за определенное время. Уатт рассчитал, что 1 лошадь за 1 минуту с глубины 30 м вытягивает в среднем 150 кг угля. Эта единица мощности и получила название лошадиной силы (horsepower).
После принятия в 1960 г. системы единиц СИ лошадиная сила стала вспомогательной единицей мощности, равной 736 Вт. Средняя мощность человека равна 70—90 Вт, что составляет 0,1 лошадиной силы
1 л.с. = 0,73549875 кВт
Порядок работы цилиндров двигателя
Для наибольшей равномерности нагрузки коленчатого вала многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы рабочие такты в цилиндрах повторялись в определенной последовательности, которая называется порядком работы цилиндров. Порядок работы цилиндров зависит от числа цилиндров двигателя и его тактности; при этом последовательно работающие цилиндры не должны стоять рядом.
Полный цикл у четырехтактного двигателя осуществляется за два оборота вала, т. е. за 720°, у двухтактного за 360°. Для того чтобы в любой момент вал двигателя имел некоторое постоянное усилие от воздействия газов на поршень, колена вала необходимо смещать относительно друг друга на угол ф. Этот угол зависит от числа цилиндров г и тактности двигателя и равен цикловой продолжительности поворота вала в градусах, отнесенной к числу цилиндров. Следовательно, для четырехтактного двигателя ф = 720°/г, для двухтактного ф = 360°/z.Определим, например, порядок работы цилиндров, расположенных в один ряд, у четырехтактного четырехцилиндрового двигателя. В этом случае ф = 720° : 4 = = 180°. Вал имеет конфигурацию, при которой поршни 1 и 4 перемещаются в направлении, противоположном движению поршней 2 и 3. Получающееся при этом чередование процессов в цилиндрах показано в табл. 8. Если в первом цилиндре осуществляется рабочий ход, то поршень второго цилиндра движется вверх, при этом из двух возможных процессов (сжатие и выпуск) примем выпуск. Тогда поршень третьего цилиндра, также перемещающийся вверх, должен осуществлять сжатие. В четвертом цилиндре поршень движется вниз одновременно с поршнем первого цилиндра, осуществляющим рабочий ход, поэтому в четвертом цилиндре должен быть впуск. Чередование процессов в последующих тактах всех цилиндров определяется цикловой последовательностью. Из табл. 8 видно, что процессы расширения (рабочего хода) будут проходить в цилиндрах в следующем порядке: 1—3—4—2. Если во втором цилиндре в первом такте принять вместо процесса выпуска сжатие, то порядок работы цилиндров изменится и будет 1—2—4—3. Следовательно, для четырехтактного четырехцилиндрового однорядного двигателя возможны два порядка работы цилиндров.
Для более полного усвоения предлагаю визуально взглянуть на следующие рисунки:
а — чередование тактов 1-2-4-3; б — чередование тактов 1-3-4-2
И напоследок, видео ролик о работе(бензиновый и дизельный):
Итак, начальные сведения мы получили. Теперь мы можем приступать к изучению устройства двигателя внутреннего сгорания.
Понравилось это:
Нравится Загрузка...
whatisvehicle.wordpress.com
1.1. Основные понятия и определения.
ഊ>Автомобили и тракторы являются сложными машинами, состоящими из различных механизмов, находящихся между собой в определенном взаимодействии.
ഊ>Хотя конструкции различных машин весьма разнообразны, их механизмы подразделяются на следующие основные группы:
ഊ>- Двигатель – необходим для преобразования химической энергии сгорания топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. ഊ> ഊ>
- Трансмиссия – служит для передачи крутящего момента от двигателя к колесам и преобразования его по величине и направлению. ഊ> ഊ>
- Ходовая часть – объединяет вместе все механизмы, а также преобразует вращательное движение в поступательное и воспринимает усилия, возникающие со стороны почвы. ഊ> ഊ>
- Механизмы управления – предназначены для поддержания заданных направления и скорости движения, а также для удержания машины на месте. ഊ> ഊ>
- Вспомогательное оборудование – необходимо для формирования внешнего вида машины и облегчения труда водителя (кабина,остекление, оперение и т.д.).ഊ> ഊ>
- Рабочее оборудование – применяется преимущественно в тракторах для привода навесных машин и агрегатов. ഊ> ഊ>
Двигатели, устанавливаемые в настоящее время на автомобили и сельскохозяйственную технику разделяют на группы по:
ഊ>- Типу применяемого топлива-на дизельные, бензиновые, газовые. ഊ> ഊ>
- Способу организации рабочего процесса – на двух-и четырехтактные. ഊ> ഊ>
- Способу смесеобразования – на внешнее (карбюраторные, инжекторные и газовые) и внутреннее (дизели).ഊ> ഊ>
- Количеству и расположению цилиндров – рядные, V-образные,оппозитные и т.д. ഊ> ഊ>
- Способу охлаждения – на воздушное и водяное. ഊ> ഊ>
- Способу наполнения – на атмосферные и с турбонаддувом. ഊ> ഊ>
Дизельный двигатель -это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия. Автотракторные дизельные двигатели только четырехтактные, поскольку, по сравнению с двухтактными, они более экономичны, более долговечны и менее требовательны к качеству топлива. Ряд последовательно протекающих процессов, повторяющихся в каждом цилиндре и обеспечивающих преобразование тепловой энергии сгорающего топлива в механическую работу, проявляющуюся во вращении коленчатого вала двигателя, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за 2 оборота коленчатого вала двигателя или за 4 такта (хода поршня): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Рабочий ход со
ഊ>стоит из двух рабочих процессов: сгорания топливо-воздушной смеси и расширения продуктов сгорания. Поршень перемещается между двумя крайними положениями,
ഊ>называемыми мертвыми точками. Верхней мертвой точкой (ВМТ)называется положение поршня, наиболее удаленное от оси коленчатого вала двигателя (рис.1).
ഊ>Нижней мертвой точкой (НМТ) называется положение поршня, при котором он максимально приближен к оси коленчатого вала двигателя. Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня (S). Ход поршня равен длине двух кривошипов коленчатого вала (r) или соответствует повороту коленчатого вала двигателя (п.к.в.)на 180° (пол-оборота) и вместе с диаметром цилиндра (D) определяет рабочий объем цилиндра (Vh), т.е. объем, освобождаемый в цилиндре при перемещении поршня от ВМТ к НМТ.
ഊ>Vh = Fп⋅S, где Fп -площадь поршня, Fп=π⋅D2/4;S -ходпоршня, S=2⋅r.
ഊ>Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя (VЛ). Он измеряется в кубических сантиметрах или в литрах, в этом случае он называется литражом двигателя. Пространство в цилиндре при положении поршня в ВМТ называется камеройсгорания(Vc). Суммаобъемакамеры сгорания и рабочего объема цилиндра называется полным объемом цилиндра (Va).
ഊ>Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия ε = Vа/Vс. Степень сжатия -величина чисто геометрическая, которую нельзя равнять с давлением в конце сжатия: Рмах = Р0⋅εn, где n = 1,35. Например, по этой весьма приближенной зависимости давление Ркомпр = Рмах -Р0, измеряемое компрессометром, численно должно быть существенно выше степени сжатия. Так, например, при ε = 18, Ркомпр = 4,35 МПа. Однако в действительности из-за задержки закрытия впускного клапана, возможного некоторого разрежения в цилиндре в начале сжатия, потерь тепла и т. д. максимальное давление (компрессия) существенно ниже -порядка 2,7 – 3,1 МПа.
ഊ>1.2. Принцип работы дизельного двигателя.
ഊ>Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск и осуществляется за два оборота коленчатого вала двигателя.
ഊ>Во время такта впуска (рис.2 а) воздух под действием разряжения поступает в цилиндр через открытый впускной клапан. В конце такта давление в цилиндре двигателя без турбокомпрессора несколько ниже атмосферного, а температура воздуха из-за соприкосновения с нагретыми стенками цилиндра достигает 40-150 °С.
ഊ>С изменением направления движения поршня от НМТ к ВМТ начинается такт сжатия (рис.2 б). Оба клапана закрыты и давление в конце такта возрастает примерно до 3,5 МПа, а температура превышает 700 °С. В конце такта сжатия в камеру сгорания, где находится раскаленный воздух, через форсунку впрыскивается топливо. Под действием высокой температуры частички распыленного топлива испаряются и пары топлива, перемешиваясь с воздухом, самовоспламеняются. Температура в процессе сгорания топлива дости
ഊ>ремещая его вниз (рис.2 в). Начинается такт рабочего хода. В конце рабочего хода поршня давление газов снижается до 0,5 МПа, а температура -до 1500 °С.
ഊ>В НМТ поршень изменяет направление движения и двигаясь вверх выталкивает отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан (рис.2 г). Давление в конце такта выпуска составляет примерно 0,12 МПа, а температура -на уровне 500 °С. Избыточное давление по сравнению с атмосферным вызывается сопротивлением выходных каналов двигателя проходящему потоку отработавших газов.
ഊ>Полезная работа производится только в течение рабочего хода поршня, а все остальные этапы являются подготовительными и осуществляются за счет инерции маховика и за счет рабочих ходов,осуществляемых в других цилиндрах, что делает работу двигателя более плавной.
ഊ>Описанные процессы повторяются поочередно во всех цилиндрах двигателя. Последовательность прохождения одного определенного процесса, например, рабочего хода, в цилиндрах называется порядком работы цилиндров. Порядок работы цилиндров различается у разных двигателей, но никогда цилиндры не вступают в работу по порядку расположения. Обычная последовательность работы у четырехцилиндровых двигателей – 1-2-4-3 или 1-3-4-2, у шестицилиндровых – 1-5-3-6-2-4, у восьми – 1-5-4-2-6-3-7-8.
ഊ>Работа бензиновых двигателей организована несколько иначе. Отличия в работе бензинового двигателя заключается в том, что во время такта впуска в цилиндры данных двигателей поступает топливо-воздушная смесь, подготовленная в карбюраторе. Степень сжатия в бензиновых двигателях значительно меньше (до 10), поэтому температура в конце такта сжатия не достаточна для самовоспламенения горючей смеси. Для этого в камере сгорания установлена свеча зажигания, которая с помощью искрового разряда начинает процесс горения смеси.
ഊ>Дизельные двигатели в сравнении с бензиновыми более полно используют энергию сгоревшего топлива и не имеют ограничения на величину рабочего объема одного цилиндра (у бензиновых он ограничен пределами 0,3 – 0,7 л). Дизели имеют более ровную характеристику крутящего момента, а значит более «тяговиты» на режимах малой частоты вращения. Они экономичнее бензиновых двигателей, при этом потребляя более дешевое дизтопливо. Токсичность отработавших газов дизельных двигателей значительно ниже,а значит меньше воздействие на окружающую среду.
ഊ>В то же время дизельные двигатели значительно сложнее по конструкции и по требованиям к материалам. Более высокие нагрузки в цилиндрах вынуждают увеличивать размеры деталей или применять специальные сплавы, что увеличивает стоимость дизелей относительно бензиновых двигателей. К отрицательным качествам дизелей так же относят повышенный шум при работе, затрудненный запуск и высокий уровень технического персонала при обслуживании.
ഊ>Нельзя не отметить то, что на современном этапе развития зарубежного двигателестроения многие из перечисленных качеств потеряли свою актуальность и преимущество одного типа двигателя перед другим трудно оценить объективно, особенно для маломощных двигателей легковых автомобилей, но несомненно, что коммерческие автомобили и сельскохозяйственная техника в подавляющем большинстве оснащены дизельными двигателями.
ഊ>1.3. Процессы проходящие в цилиндре дизеля во время работы
ഊ>1.3.1. Тактвпуска
ഊ>При положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) начинается такт впуска (или всасывания). Коленчатый вал поворачивается (под действием стартера или по инерции от маховика и создающих крутящий момент других цилиндров), в результате поршень движется вниз, а распределительный вал, поворачиваясь и нажимая кулачком на толкатель, открывает впускной клапан (выпускной клапан вэто время закрыт).
ഊ>За счет относительно небольшой площади открывшегося кольцевого отверстия в цилиндре возникает разряжение, т.к. объем пространства в цилиндре увеличивается значительно быстрее, чем количество воздуха, которое может поступить через впускной клапан.
ഊ>В результате этого, воздух, преодолевая сопротивление воздушного фильтра, засасывается из впускного коллектора.
ഊ>Из-за гидравлического сопротивления фильтра и впускного коллектора некоторая часть объема, освобождаемого поршнем, остается незаполненной. Отношение объема действительно поступившего в цилиндр количества воздуха к объему, освобождаемому поршнем, называют коэффициентом наполнения цилиндров двигателя ηv.
ഊ>ηv= 8⋅Gв/ (π⋅D2⋅S⋅n⋅i) ,
ഊ>где Gв – объем поступившего в двигатель воздуха м3/с; n – частота вращения коленчатого вала мин-1; i – количество цилиндров.
ഊ>Коэффициент ηv зависит прежде всего от гидравлического сопротивления впускного тракта и температуры воздуха в момент заполнения.
ഊ>Обтекая впускной клапан, воздух охлаждает его тарелку и стержень, и далее, поступая в цилиндр, охлаждает поршень. При этом в цилиндре происходит образование вихря, сопровождающегося интенсивной турбулизацией (перемешиванием), которая зависит от способа смесеобразования и формы камеры сгорания.
ഊ>Разрежение, возникающее во впускном трубопроводе при всасывании воздуха через открытый впускной клапан, способствует проникновению масла через зазоры между стенками впускных клапанов и направляющих втулок. Это приводит к увеличению расхода масла, отложению нагара на тарелке и стержне клапана, из-за чего со временем возможно снижение количества поступающего в цилиндр воздуха, падение мощности и увеличение дымности работы.
ഊ>Масло в цилиндры попадает также через пазы между гребнями колец в процессе съема масла со стенок цилиндра при движении поршня вниз. При этом важное значение для уменьшения расхода масла имеет надежное уплотнение между верхними торцевыми поверхностями канавки и маслосъемного кольца.
ഊ>1.3.2. Тактсжатия
ഊ>После прохода поршнем нижней мертвой точки начинается второй такт – сжатие поступившего в цилиндр воздуха.
ഊ>Непосредственно сжатие (повышение давления в цилиндре)начинается не сразу после начала движения поршня вверх. Некоторое время, несмотря на начало повышения давления, воздух продолжает поступать в цилиндр за счет инерционных сил. Поэтому с точки зрения наилучшего наполнения цилиндра (и, соответственно,наибольшей мощности) момент закрытия впускного клапана необходимо несколько сдвинуть от НМТ. Здесь на процесс очень сильно влияет конструкция впускной системы и частота вращения. В общем случае, чем больше частота вращения и длиннее впускной канал, тем больше должен запаздывать с закрытием впускной клапан. Кроме того, закрытие и открытие клапана само по себе занимает определенное время (около 40-60° ПКВ), что еще более сдвигает момент начала открытия или посадки клапана на седло.
ഊ>Моменты открывания и закрывания клапанов выражаются в градусах поворота коленчатого вала двигателя относительно ВМТ и НМТ и называются фазами газораспределения. Учитывая, что время заполнения цилиндра воздухом и время выпуска отработавших газов в современных двигателях составляет тысячные доли секунды, конструкторы стремятся по возможности увеличить эти параметры для улучшения наполнения цилиндров воздухом и лучшего освобождения цилиндров от отработавших газов. Для этого впускной клапан открывается за 10-30° по углу поворота коленчатого вала двигателя до момента достижения поршнем ВМТ и закрывается с задержкой относительно момента прохождения поршнем НМТ на 50-70°, т.е. длительность открытого состояния впускного клапана составляет 230-280° по углу поворота коленчатого вала двигателя. Выпускной клапан открывается за 45-60° до НМТ и закрывается с задержкой относительно ВМТ от 0 до 15° по углу поворота коленчатого вала двигателя, т.е. длительность открытого состояния выпускного клапана составляет 230-250° по углу поворота коленчатого вала двигателя.
ഊ>Порядок работы клапанов чаще всего изображается в виде круговой диаграммы, которую называют диаграммой фаз газораспределения.
ഊ>При движении поршня вверх при закрытых клапанах происходит сжатие воздушной смеси. Когда поршень находится вблизи ВМТ, не доходя до нее обычно 8-26° по углу п.к.в., начинается впрыск топлива через форсунку. Этот угол, называемый углом опережения впрыска топлива, при работе двигателя автоматически изменяется в зависимости от частоты вращения и других факторов (нагрузки, температуры двигателя и т.д.). Необходимость этого диктуется тем, что процесс горения смеси происходит с некоторым запаздыванием с момента начала впрыска на величину, так называемого, времени задержки самовоспламенения топлива, т.е. времени, необходимого для нагрева и испарения топлива, впрыскиваемого в цилиндр.
ഊ>Поскольку горение смеси -химическая реакция, время задержки самовоспламенения и горения зависит от давления и температуры воздуха, а также от интенсивности его перемешивания с впрыснутым воздухом (турбулентности): чем они больше, тем быстрее идет процесс. При увеличении частоты вращения время цикла (время, за которое коленчатый вал делает 2 оборота) уменьшается. Поэтому с увеличением частоты, при неизменном моменте начала впрыска, процесс сгорания сдвигается далеко в область рабочего хода и "растягивается" по циклу, что приводит к ухудшению параметров двигателя. Чтобы этого не происходило, угол опережения впрыска топлива приходится увеличивать на 15-30° п.к.в. с ростом частоты вращения. От правильной регулировки угла опережения впрыска топлива коренным образом зависят техникоэкономические показатели работы дизеля.
ഊ>В процессе горения давление в цилиндре возрастает в несколько раз, а температура повышается примерно до 2000 °С. Скорость нарастания давления определяет характер работы дизеля. Работа при нарастании давления выше 0.5 МПа на 1° п.к.в. называется жесткой работой дизеля. При значительной длительности времени задержки воспламенения топливо хорошо подготавливается к сгоранию и сгорает с резким нарастанием давления, т.е. реализуется жесткий режим работы дизеля, при котором возникающие ударные нагрузки воздействуют на элементы двигателя, увеличивая скорость их износа. При снижении длительности периода задержки воспламенения режим становится мягче, но значительное его снижение приводит к ухудшению процесса горения, падению мощности и экономичности двигателя.
ഊ>Длительность периода задержки воспламенения топлива характеризуется цетановым числом топлива (условная единица его самовоспламеняемости). Чем меньше цетановое число, тем больше период задержки воспламенения топлива. Цетановое число топлива должно быть не ниже 45 и не выше 50. Использование топлива с цетановым числом ниже 45 приводит к жесткой работе дизеля, ас цетановым числом выше 50 - к уменьшению полноты сгорания топлива и, как следствие, к потере экономичности двигателя и снижению мощности. Следует учитывать, что повышение цетанового числа улучшает условия пуска дизеля.
ഊ>Непосредственно перед воспламенением смеси давление в цилиндре достаточно высоко -свыше 1,0÷1,2 МПа. Это давление несколько ниже максимального давления, которое было бы в цилиндре при проверке компрессии, т. к. воспламенение начинается до приходапоршня вВМТ.
ഊ>При приближении поршня к ВМТ поверхности днища поршня и головки подходят друг к другу наиболее близко -обычно зазор между поршнем и головкой в таких местах 0,5÷1,0 мм. При подходе поршня к ВМТ воздух, расположенный между этими поверхностями, вытесняется в зону камеры сгорания, образуя потоки определенного направления. За счет этого впрыснутое топливо интенсивно перемешивается с воздухом, что повышает скорость и полноту сгорания. Скорость и направление потоков определяется формой камеры сгорания и способом смесеобразования.
ഊ>1.3.3. Верхняя мертвая точка. Процессы горения и передачи тепла
ഊ>У бензиновых двигателей после прохождения поршнем ВМТ давление и температура в цилиндре за счет сгорания топливовоздушной смеси достигают максимума -давления порядка 3-6 МПа и температуры свыше 2500 К. Весь процесс сгорания происходит вблизи ВМТ, длится 40÷60° угла поворота коленчатого вала (ПКВ), объем камеры сгорания при этом изменяется мало. Именно поэтому бензиновые двигатели с искровым зажиганием в литературе называют иногда двигателями с подводом тепла при постоянном объеме или двигателями Отто (работающими по циклу Отто).
ഊ>Для дизелей условно принимают, что часть теплоты подводится при постоянном объеме, а часть -при постоянном давлении. Поскольку у дизелей степень сжатия существенно выше, чем у бензиновых двигателей (ε = 16÷22), то максимальное давление при сгорании также выше и достигает 5,5÷10 МПа. При этом температура газов в цилиндре меньше и, как правило, не превышает 2000÷2200 К.
ഊ>Процесс сгорания топливо-воздушной смеси в двигателе очень сложен и до конца не изучен. При горении происходят химические реакции с выделением тепла и образованием продуктов сгорания. Процесс горения существенно зависит от большого числа физических явлений в цилиндре: от геометрии (формы) камеры сгорания до состава, скорости и направления движения смеси в цилиндре в данный момент времени в данной точке.
ഊ>Для осуществления процесса горения необходимо, чтобы количество топлива, подаваемого в цилиндр, строго соответствовало количеству воздуха, поступающего в цилиндр на такте впуска. Соотношение количеств воздуха Gв и топлива Gт в смеси определяется коэффициентом избытка воздуха α:
ഊ>α = Gв/Gт⋅L0
ഊ>где L0= 14,5 -теоретически необходимое количество воздуха (кг) для полного сгорания 1 кг топлива. При α = 1, когда количество топлива точно соответствует количеству воздуха, необходимому для полного сгорания этого топлива, состав смеси называют стехиометрическим.
ഊ>Коэффициент избытка воздуха характеризует обеднение или обогащение смеси. Например, смесь с коэффициентом избытка воздуха α=0,9 это смесь, содержащая 1 кг топлива и 0,8 ⋅ 14,5 = 13,05 кг воздуха, т.е. обогащенная смесь, а смесь с коэффициентом избытка воздуха α=1,5, это смесь, содержащая 1,5 ⋅ 14,5 = 21,75 кг воздуха на 1 кг топлива, т.е. обедненная смесь. При работе на обогащенной смеси топливо сгорает не полностью и в выхлопных газах повышается содержание вредных примесей. Дизельные двигатели работают только на обедненных смесях, поэтому выхлопные газы дизельного двигателя содержат меньшее количество вредных примесей по сравнению с бензиновыми двигателями. Более высокие температура и давление в цилиндре дизельного двигателя способствуют более полному сгоранию топлива, что обеспечивает более высокую экономичность дизельного двигателя по сравнению с бензиновым.
ഊ>Коэффициент избытка воздуха α для дизельных двигателей традиционных конструкций должен находиться в интервале от 1,3до 1,8 в зависимости от режимов работы двигателя, но на отдельных режимах α может быть значительно выше (например, на режиме максимальной частоты вращения холостого хода α доходит до 5,5÷6).
ഊ>Коэффициент избытка воздуха α существенно влияет не только на экономичность и мощность, но и на состав отработавших газов. Например, если основная часть продуктов сгорания -это углекислый газ СО2 и водяные пары Н2О, то при работе на богатых смесях двигатель выделяет повышенное количество оксида углерода СО, а также несгоревшие углеводороды СnНm (СН). На некоторых режимах продукты сгорания содержат также повышенное количество оксидов азота NOx , что особенно характерно для двигателей с высокой степенью сжатия (оксиды азота образуются при высоких температурах).
ഊ>Очень важное значение для состава отработавших газов имеет конструкция головки блока двигателя и особенно камеры сгорания -пространства между головкой и днищем поршня. От того, как организовано движение смеси по камере сгорания перед и во время сгорания, сильно зависит количество вредных выбросов типа СО,NOX и СН.
ഊ>В настоящее время для автотракторной техники используют преимущественно двигатели с непосредственным впрыском топлива. Этот термин относится ко всем камерам сгорания, представляющим собой единый объем. В неразделенных камерах сгорания различают дваспособа смесеобразования: объемное и пленочное.
ഊ>При объемном смесеобразовании все топливо впрыскивается в объем камеры сгорания, причем направление и длина факела топлива рассчитана таким образом, что топливо не попадает ни на стенки цилиндра, ни на днище поршня (рис.3 а). Организация такого способа позволяет наиболее полно использовать энергию сгорания топлива. Недостатком является большая жесткость процесса сгорания и необходимость высокого давления впрыска топлива.
ഊ>Считалось, что подобный способ применим только в больших тихоходных дизелях, работающих на бедных смесях. Однако ужесточающиеся нормы по ограничению токсичности отработавших газов и использование новейших материалов при изготовлении делают возможным применение его в современных дефорсированных двигателях, имеющих передовые топливоподающие системы (насос-форсунки, аккумуляторные системы Common-Rail ит.д.).
ഊ>При пленочном смесеобразовании, наоборот, большая часть топлива распыливается на стенки камеры сгорания, расположенной в поршне и выполняемой в виде полусферы с диаметром, равным половине диаметра поршня (рис.3 б). Форсунка с одним распыливающим отверстием располагается в камере сгорания под определенным углом к днищу поршня. Топливо впрыскивается в завихренный поток воздуха и на стенки камеры сгорания, образуя на них пленку. При этом около 95% топлива оказывается нанесенной в виде пленки на поверхность камеры и лишь около 5% - впрыснутой в объем камеры.
ഊ>Сначала воспламеняется топливо, впрыснутое в объем камеры сгорания, остальная часть топлива вовлекается в сгорание постепенно, по мере испарения, и этим обеспечиваются достаточно малые значения максимальной скорости нарастания давления и давления сгорания. Процесс позволяет получать высокий показатель использования воздуха в сочетании с низкой концентрацией выбросов сажи в отработавших газах и давно применяется в дизельных двигателях автобусов IKARUS.
ഊ>Рис.3 Камеры сгорания дизелей различного типа: а) Гессельмана;
ഊ>б) МAN; в) полусферическая; г) ЦНИДИ; д) тороидальная; е) раз
ഊ>деленная вихрекамерная.
ഊ>В чистом виде объемное и пленочное смесеобразование применяется редко. Обычно в отечественных дизелях реализуется комбинированный способ. Часть топлива оказывается впрыснутой в объем камеры сгорания, а часть попадает на стенки камеры сгорания. Как и при пленочном смесеобразовании, воспламеняется топливо,впрыснутое в объем камеры. В результате, обеспечивается сравнительно малая жесткость процесса сгорания при довольно хорошей топливной экономичности.
ഊ>Таким способом организовано смесеобразование в полусферических камерах сгорания (рис.3 в) дизелей Владимирского тракторного завода (Д-21, -120, -144).
ഊ>Этот же принцип используется в камерах сгорания типа ЦНИДИ (рис.3 г), применяемых в дизелях Минского и Рыбинского моторных заводов (Д-243, Д-65), Челябинского и Волгоградского тракторных заводов (Д-160, СМД-14, -17, -18). У последних дизелей ось камеры сгорания смещена относительно оси цилиндра.
ഊ>Дизели Ярославского моторного завода (ЯМЗ-236, -238), АО «Алтайдизель» (А-41,-01) и Харьковского тракторного завода (СМД-60, -62, -72) применяют тороиодальную камеру сгорания (рис.3 д). Дизели типа СМД имеют камеру сгорания смещенную относительнооси цилиндра.
ഊ>Применяющаяся в дизелях нового поколения с аккумуляторными системами топливоподачи типа Common Rail ω-образная камера сгорания имеет форму камеры ЦНИДИ с тороидальным выступом внутри.
ഊ>Конструкции с разделенными камерами сгорания (рис.3 е) в настоящее время применяются на небольших быстроходных дизелях легковых автомобилей, хотя раньше использовались и для тракторных дизелей (Д-50, СМД-14). Здесь установлены очень жесткие требования к жесткости сгорания, скорости смесеобразования и коэффициенту избытка воздуха α.
ഊ>При этом способе вспомогательная камера полусферической формы (вихревая камера) располагается на краю основной камеры сгорания; объем вихревой камеры составляет около 60% от общего объема камеры сгорания. Сообщение между вспомогательной и основной камерами осуществляется посредством канала, который входит в основную камеру под углом к оси поршня. В вихревой камере расположены форсунка и запальная свеча для холодного пуска двигателя.
ഊ>При такте сжатия в вихревой камере образуется интенсивное завихрение воздуха. Также как и при пленочном способе смесеобразования, топливо впрыскивается в камеру эксцентрично, что обеспечивает его вихревое движение и распределение на стенках камеры. Когда топливо частично сгорает, его давление оказывается выше давления в основной камере сгорания. Это давление заставляет частично окисленные продукты сгорания и испарившееся топливо проходить через один или большее число каналов и попадать в основную камеру сгорания, где эти продукты хорошо перемешиваются с оставшимся после сгорания воздухом.
ഊ>Разделенные камеры сгорания позволяют получать обогащенные рабочие смеси в предкамере и относительно обедненные заряды в основной камере, благодаря чему значительно снижаются выбросы оксидов азота и углеводородов в отработавших газах. Однако наличие впускных каналов для завихрения воздуха создает трудности в отношении получения необходимого коэффициента наполнения, а большая поверхность камеры сгорания затрудняет быстрый запуск двигателя.
ഊ>1.3.4. Такт рабочего хода
ഊ>После прохождения поршнем ВМТ начинается такт рабочего хода. Этот такт существенно отличается от других. Здесь поршень совершает полезную (положительную) работу, которая идет непосредственно на разгон автомобиля или на поддержание его постоянной скорости, в то время как на всех других тактах, наоборот,требуются затраты энергии наповорачивание коленчатого вала.
ഊ>При движении поршня вниз объем цилиндра увеличивается, а газ в цилиндре расширяется, т. е. давление и температура его понижаются. При этом газ совершает полезную работу: силой давления движет поршень, который через КШМ вращает коленчатый вал.
ഊ>Сила, прилагаемая к поршню при расширении продуктов сгорания топлива, разлагается на две составляющие. Одна из них прижимает поршень к стенкам цилиндра в направлении, перпендикулярном поршневому пальцу, и вызывает износ поршня и цилиндра преимущественно в этом направлении. Другая направлена по шатуну и также разлагается на две составляющие, одна из которых воздействует на опоры коленчатого вала, а вторая создает крутящий момент двигателя, равный произведению этой силы на радиус кривошипа коленчатого вала. Крутящий момент измеряется в ньютонометрах (Н-м). Таким образом, расширяющиеся продукты сгорания топлива производят работу по перемещению поршня.
ഊ>Работа, произведенная двигателем в единицу времени, называется мощностью. Она измеряется в киловаттах (кВт) или в лошадиных силах (л.с). Мощность, развиваемая газами внутри цилиндра,называется индикаторной мощностью двигателя. Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью двигателя. Она несколько ниже индикаторной мощности, что обусловлено частичной потерей индикаторной мощности,например, на преодоление сил трения в узлах двигателя. Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим коэффициентом полезного действия. Его значение обычно составляет 0,8÷0,9. Отношение часового расхода топлива к эффективной мощности называется удельным расходом топлива. Он измеряется в граммах на киловатт-час (г/кВт·час) и характеризует топливную экономичностьдвигателя.
ഊ>Чем больше давление в цилиндре при сгорании, тем выше будет крутящий момент двигателя. Напротив, при плохом состоянии колец, поршня и цилиндра, с одной стороны, снижается давление в цилиндре, а с другой, из-за прорыва большого количества газов через кольца увеличивается давление в картере (это может происходить и из-за неисправности системы вентиляции картера, что также часто является следствием износа ЦПГ). В результате избыточное давление в цилиндре и крутящий момент уменьшаются.
ഊ>В конце такта рабочего хода давление в цилиндре падает в несколько раз. Поскольку вблизи НМТ крутящий момент становится мал, для улучшения очистки цилиндра от выхлопных газов выпускной клапан целесообразно открывать с опережением, т.е. доприхода поршня в НМТ. Чем больше частота вращения и нагрузка, тем больше можно сделать опережение начала выпуска, хотя его влияние на параметры двигателя заметно меньше, чем опережения впуска.
ഊ>1.3.5. Тактвыпуска
ഊ>Такт выпуска начинается в момент начала открытия выпускного клапана. Поскольку это происходит вблизи НМТ, то при анализе работы двигателя принято считать тактом выпуска период движения поршня от нижней до верхней мертвой точки. В момент начала открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно велико -порядка 0,3÷0,6 МПа, поэтому при открытии клапана в выпускном трубопроводе за клапаном возникает ударная волна,распространяющаяся со скоростью звука вдоль системы выпуска.
ഊ>Температура газов в начале выпуска также достаточно высока и достигает 700÷900°Су дизелей.
ഊ>Практика показывает, что для улучшения процессов впуска и выпуска (а это означает уменьшение количества остаточных выхлопных газов в цилиндре после закрытия выпускного клапана, минимальные потери смеси через выпускную систему и улучшение наполнения цилиндра) необходимо, чтобы впускной клапан открывался до ВМТ, а выпускной закрывался после ВМТ. Таким образом,необходимо "перекрытие" клапанов, т. е. некоторый угол поворота коленчатого вала вблизи ВМТ, когда оба клапана открыты. Величина "перекрытия" зависит от конструкции всего двигателя и, как и конфигурация всей системы, настраивается на средние частоты вращения, т. е. обычно является компромиссным решением. При этом на низких частотах вращения в момент открытия впускного клапана возникает заброс газов из цилиндра во впускной коллектор,а на больших -возможным выброс части свежей смеси в выпускную систему, ухудшающие наполнение и крутящий момент на этих режимах. Поэтому, с целью улучшения характеристик на некоторых современных двигателях применяют регулирование фаз газораспределения.
ഊ>1.4. Турбонаддув
ഊ>Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Таким образом, можно добиться повышения мощности,увеличив количество этих компонентов. Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. При увеличении рабочего объема сразу же возрастают вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Форсирование по частоте вращения проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.
ഊ>Одним из решений проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры; при этом можно сжечь больше топлива и получить, соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры.
ഊ>Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тойже частоте вращения мы получаем большую мощность.
ഊ>Системы принудительной подачи (нагнетания) воздуха можно разделить на работающие за счет энергии отработавших газов (турбонаддув), использующие механический привод и резонансные колебания во впускном коллекторе. Последние две системы в автотракторной технике используются редко, поэтому ограничимся рассмотрением только турбокомпрессоров, где давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.
ഊ>В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие с большой скоростью из цилиндров двигателя отработавшие газы вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию вмеханическую энергию вращения (крутящий момент).
ഊ>Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.
ഊ>Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, затем увеличивается энергия потока отработавших газов, а следом увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания, и в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха,что дает возможность увеличить подачу топлива.
ഊ>Основным и наиболее сложным элементом системы турбонаддува двигателя является турбокомпрессор (рис. 4). Турбокомпрессор состоит из ротора -вала с колесами турбины и компрессора,подшипников, уплотнений ротора и корпусных деталей.
ഊ>Под действием энергии выхлопных газов ротор раскручивается до очень высокой частоты вращения – 100 000÷120 000 мин-1 и более. Обычно чем меньше объем двигателя, тем меньше размеры
ഊ>Рис.4. Турбокомпрессор 1-кожух компрессора;2-колесо компрессора;3-корпус турбины; 4ротор с колесом турбины; 5-корпус подшипников; 6,7 -вход и выход отработавших газов; 8, 9-вход атмосферного и выход сжатого воздуха; 10, 11подача и выход масла.
ഊ>турбокомпрессора и тем выше максимальная частота вращения ротора, которая достигается на режимах полной нагрузки двигателя.
ഊ>Высокая частота вращения определяет очень серьезные требования к точности изготовления ротора, конструкции и материалам его подшипников. Ротор турбокомпрессора представляет собой выполненный за одно целое с колесом турбины вал, на другой стороне которого установлено колесо компрессора. Компрессор фиксируется на валу гайкой, а вся конструкция балансируется динамически на рабочих частотах.
ഊ>Биение поверхностей вала должно быть очень мало -порядка нескольких микрон, а дисбаланс всего ротора -не более 0,01÷0,02 г·см. Превышение этих величин обычно приводит к ускоренному износу и разрушению подшипников и ротора.
ഊ>Ротор установлен в подшипниках скольжения специальной «плавающей» конструкции -бронзовая втулка имеет зазор 0,03÷0,04 мм по валу и 0,03÷0,06 мм в корпусе. При этом втулка вращается со скоростью меньшей, чем вал. Этим обеспечивается работоспособность подшипника при высоких скоростях вращения, т.к. снижается относительная скорость скольжения деталей. Кроме того, такая конструкция опор обеспечивает их "податливость", т.е. способность небольших радиальных перемещений под действием нагрузки.
ഊ>Ротор турбокомпрессора является "гибким" -его рабочая частота вращения превышает частоту собственных колебаний (так называемую критическую частоту). Известно, что при приближении частоты вращения к частоте собственных колебаний в роторе возбуждаются колебания, которые способны его разрушить. С податливыми опорами при прохождении ротором критической частоты амплитуда колебаний и нагрузки на ротор значительно снижаются и становятся неопасными.
ഊ>Существенное значение имеет гидродинамический подпятник 9 (рис. 5), удерживающий ротор от осевых перемещений. В канавку упорной стальной втулки, расположенной на валу, входит бронзовая или стальная фигурная пластина со специальным покрытием,имеющая отверстия для подачи масла под давлением к опорным поверхностям. Зазор между опорными поверхностями должен быть мал, порядка 0,01÷0,02 мм, иначе подпятник не будет удерживать ротор восевом направлении.
ഊ>Между подшипникомисоответствующим колесом (компресссора или турбины) устанавливаются уплотнения с целью исключения попадания масла в газовоздушный тракт двигателя. Со стороны турбины обычно применяется уплотнение с пружинным разжимным кольцом (рис. 6). Кольцо из специального чугунаили стали устанавливается в канавке вала с малым торцевым зазором 0,03÷0,04 мм и собственными силами упругости прижимается к поверхности отверстия чугунного корпуса агрегата. При этом зазор в замке кольца должен быть мал (0,02÷0,05 мм), а прилегание к отверстию -полным, иначе уплотнение будет пропускать масло.
ഊ>Со стороны компрессора применяют различные типы уплотнений. Встречается конструкция, аналогичная уплотнению подшипника турбины. Иногда используется торцевое уплотнение с графитовым кольцом (рис. 6, в).
ഊ>Корпус турбокомпрессора имеет каналы подвода и слива масла, а у некоторых дизелей -еще и каналы для жидкостного охлаждения. На корпусе устанавливаются "улитки" компрессора и турбины. При этом зазор между внутренней поверхностью «улитки» и лопатками колеса должен быть очень малый. Зазор более 0,3÷0,5 мм сильно снижает КПД турбины (компрессора), что заметно уменьшает мощность и крутящий момент двигателя на средних и высоких частотах вращения и нагрузках.
ഊ>а -со стороны турбины; б -разрезным кольцом состороны компрессора; в -торцевое со стороны компрессора;1-втулка подшипника; 2-корпус подшипников; 3-уплотнительное разрезное кольцо; 4-корпус уплотнения; 5-кожух; 6-ротор; 7-колесо компрессора; 8-втулка подпятника; 9-подпятник; 10-пружина; 11-резиновое уплотнительное кольцо; 12-графитовое кольцо.
ഊ>Наиболее распространена конструкция с фиксацией «улитки» компрессора на корпусе с помощью стопорного кольца, при этом «улитка» турбины крепится болтами (рис. 5).
ഊ>Несмотря на кажущуюся простоту, турбокомпрессор является очень сложным агрегатом в ремонте и эксплуатации. Работа двигателей с турбонаддувом предполагает использование масел высокого качества с пологой характеристикой вязкости по температуре. Этим требованиям удовлетворяют современные синтетические масла. Выход из строя компрессора обычно связан с неправильной эксплуатацией, когда масло низкого качества коксуется в турбокомпрессоре, закрывая отверстия для смазки подшипников, что приводит к задирам, повреждениям, ускоренному износу подшипников.
ഊ>При определении неисправности дизельного двигателя необходимо помнить, что неправильная работа системы турбонаддува значительно снижает мощностные, экономические и экологические показатели работы дизельного двигателя.
ഊ>Глава 2
ഊ>ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ഊ>Для автотракторных и других высокооборотных дизелей современная промышленность вырабатывает дизельные топлива по ГОСТ 305—82. Этот стандарт устанавливает единые требования к физико-химическим показателям дизельного топлива независимо от качества нефти. Учитывая ряд специфических требований, обусловленных особенностями смесеобразования и воспламенения в дизелях, особенностями работы топливоподающей аппаратуры и условий эксплуатации, дизельное топливо должно удовлетворять следующим основным требованиям:
ഊ>-сохранять текучесть и определенную вязкость до возможно более низких температур с целью обеспечения заданной подачи в цилиндры двигателя;
ഊ>-обеспечивать хорошее смесеобразование и своевременную воспламеняемость топлива привпрыске в камеру сгорания;
ഊ>-сгорать с максимальной полнотой при минимальной токсичности отработавших газов;
ഊ>-обеспечивать мягкую без стуков работу двигателя;
ഊ>-не вызывать значительной коррозии деталей двигателя;
ഊ>-иметь низкую склонность к нагарообразованию;
ഊ>-не содержать механических примесей и воды.
ഊ>Соответствие дизельных топлив перечисленным выше требованиям оценивается по их физико-химическим показателям в соответствии с ГОСТ 305—82 (табл.1).
ഊ>Таблица 1 Физико-химические показатели дизельноготопливапоГОСТ 305 - 82
ഊ>| 3 | ഊ>А | ഊ>|
| 45 | ഊ>45 | ഊ>45 | ഊ>
| 280 360 | ഊ>280 340 | ഊ>255 330 | ഊ>
| 3,0÷6,0 | ഊ>1,8÷5,2 | ഊ>1,5÷4,0 | ഊ>
| -10 -5 40 | ഊ>-40 -25 35 | ഊ>-55 30 | ഊ>
| 0,010,20,5 | ഊ>0,010,20,5 | ഊ>0,010,20,4 | ഊ>
| 40 | ഊ>30 | ഊ>30 | ഊ>
| 56 | ഊ>56 | ഊ>56 | ഊ>
| 6 | ഊ>6 | ഊ>6 | ഊ>
| 0,01 | ഊ>0,01 | ഊ>0,01 | ഊ>
| 2 | ഊ>2 | ഊ>2 | ഊ>
| 0,3 | ഊ>0,3 | ഊ>0,3 | ഊ>
| 860 | ഊ>840 | ഊ>830 | ഊ>
Все дизельные автомобильные топлива по климатическим условиям их применения делятся на летние Л, зимние 3 и арктические А. Летние дизельные топлива ДЛ и Л могут применяться при температурах воздуха выше 0°С. Зимние дизельные топлива марок ЗС (зимнее северное) и ДЗ предназначены для применения при температурах от 0° до -30°С, а топливо 3 лишь до температуры -20°С. Арктические топлива предназначены для применения в холодной климатической зоне зимой: топливо марки ДА -до температуры минус 30°С, а топливо марки А -до температуры минус 50°С.
ഊ>Из таблицы видно, что топлива отличаются по содержанию серы, в связи с чем они разделены на две подгруппы. Вторая подгруппа топлив содержит серы примерно в два раза больше, поэтому применять их можно в двигателях, где используется масло с присадкой, уменьшающей вредное воздействие серы (ЦИАТИМ-339,АЗНИИ-7, ВНИИНП-360).
ഊ>Общее содержание серы в % обязательно отражается в маркировке дизельного топлива. Например, «З-02 минус 45 ГОСТ 305-82» свидетельствует о том, что это зимнее топливо первой подгруппы (т. к. содержание серы - 0,2%), с температурой застывания не выше минус 45°С.
ഊ>Цетановое число является наиболее важным физико-химическим показателем качества дизельных топлив. Этот показатель определяет самовоспламеняемость дизельных топлив, т. е. способность их паров воспламеняться без источника зажигания (в определенных условиях). Цетановое число -условная единица измерения воспламеняемости топлива. Чем выше цетановое число топлива, тем легче пуск двигателя и мягче его работа.
ഊ>При низких цетановых числах в дизеле возникает большая задержка воспламенения, влияющая на увеличение жесткости работы двигателя и на неполное сгорание топлива. Результатом этого является снижение мощностных и экономических показаелей двигателя,увеличение его удельного расхода топлива, дымности и токсичности выхлопных газов. Цетановое число зависит от количества и группового состава углеводородов, входящих в дизельное топливо.
ഊ>Парафиновые углеводороды термически менее устойчивы, легко окисляются с образованием перекисей, поэтому относятся к наиболее легковоспламеняющимся и имеют высокие цетановые числа.
ഊ>Ароматические углеводороды для воспламенения требуют более высоких температур и значительных интервалов времени на окисление, вследствие чего их цетановые числа невелики.
ഊ>Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение по воспламеняемости среди парафиновых и ароматических углеводородов.
ഊ>Повышение цетанового числа может быть достигнуто изменением группового состава углеводородов дизельного топлива или введением присадок. Второй способ наиболее прост, так как позволяет сравнительно легко влиять на воспламеняемость топлива. Такие присадки, как этилнитрат или изопропилнитрат, введенные в дизельное топливо в количестве 1%, вызывают повышение цетанового числа на 10—15 единиц.
ഊ>Оценка воспламеняемости дизельного топлива приводится, как и для бензинов, сравнением работы одноцилиндрового двигателя на эталонном топливе и на испытуемом топливе. В качестве эталонного топлива применяют смесь углеводородов цетана и αметилнафталина. Воспламеняемость цетана принимают за 100 единиц, а α-метилнафталина — за 0.
ഊ>Составляя эталонное топливо из этих углеводородов в разных соотношениях, можно при работе одноцилиндрового двигателя на испытуемом топливе и на эталонном добиться одинаковой воспламеняемости. В этом случае процентное содержание цетана в эталонном топливе будет численно равно цетановому числу испытуемого топлива.
ഊ>Фракционный состав дизельных топлив является показателем их испаряемости. В дизельном двигателе испарение топлива происходит в среде очень сильно нагретого воздуха. Поэтому, несмотря на слишком малое время для смесеобразования, большая часть топлива успевает испариться и образовать рабочую смесь. При этом фракции топлива с очень низкими температурами перегонки плохо воспламеняются. Следовательно, дизельное топливо должно иметь оптимальный фракционный состав, чтобы он не затруднял испаренияи не ухудшал воспламеняемости.
ഊ>В ГОСТах для дизельных топлив фракционный состав характеризуется температурами перегонки 50 и 96% топлива. Эксплуатационная оценка дизельного топлива по этим точкам не производится. Начало перегонки дизельных топлив происходит при 180÷200°С, аконец -при 330÷360°С.
ഊ>Вязкость дизельных топлив относится к важнейшим показателям их качества. Она определяет возможность подачи топлива в цилиндры двигателя. При эксплуатации недопустимо использование дизельных топлив с чрезмерно высокой или низкой вязкостью,так как это вызывает нарушение в работе двигателя.
ഊ>ГОСТы на дизельное топливо устанавливают для каждой марки топлива, вязкость при температуре 20°С в единицах кинематической вязкости — сантистоксах.
ഊ>Подача топлива в цилиндры двигателя может нарушаться и без потери текучести вследствие образования в нем микрокристаллов парафина или льда при понижении температуры. Это явление наступает притемпературе помутнения.
ഊ>Температура помутнения характеризуется потерей прозрачности топлива из-за выделения в нем микрокристаллов, причем кристаллы льда начинают образовываться уже при температуре немного ниже 0°С, а парафины дают помутнение и при болеe низких температурах. Для надежной подачи топливо должно иметь температуру помутнения на 3÷5°С ниже его рабочей температуры.
ഊ>Если температура понижается ниже температуры помутнения на 5÷15°С, то топливо застывает и полностью теряет текучесть,Температура застывания характеризуется величиной, при которой дизельное топливо загустевает настолько, что уровень его не изменяется в течение 1 мин при наклоне стандартной пробирки с топливом на угол 45°. Температура застывания определяет возможность использования топлива приданной температуре воздуха.
ഊ>Коррозионные свойства дизельных топлив, зависят от содержания в них серы и ее соединений, минеральных и органических кислот, щелочей, фактических смол и непредельных углеводородов. Сернистые соединения, получаемые в результате сгорания топлива,взаимодействуя со сконденсировавшимися парами воды, образуют сернистую и серную кислоты, вызывающие коррозию металлов. Наиболее агрессивное воздействие на металлы оказывают активная сера, кислоты и щелочи, поэтому содержание серы в дизельных топливах ограничивается, а кислотне допускается.
ഊ>Фактические смолы и непредельные углеводороды в дизельных топливах являются причиной отложений и нагара в камераx сгорания, на клапанах, форсунках и других деталях двигателя. Это ухудшает тепловой режим двигателя, снижает его мощностные и экономические показатели. Количество фактических смол в топливе не должно превышать 30÷40 мг/100 мл.
ഊ>Кислотность характеризует содержание органических кислот в дизельном топливе и выражается в миллиграммах щелочи КОН,требующейся для нейтрализации кислот, которые содержатся в 100 мл топлива. ГОСТом допускается кислотность не более 5 мг КОН на 100 мл. С увеличением кислотности топлива возрастает его коррозийная агрессивность и повышается износ деталей двигателя и топливной аппаратуры. По химической стабильности, т.е. способности окисляться и давать смолистые отложения, дизельные топлива значительно превосходят бензины. Для дизельных топлив установлен гарантийный срокхранения 5 лет.
ഊ>Присутствие смол в топливе возможно определить по его цвету. Самое лучшее топливо бесцветно, поэтому чем больше в топливе смол, тем интенсивнее желто-коричневые цвета.
ഊ>Склонность топлива к образованию высокотемпературных отложений нормируют рядом показателей, таких, например, как зольность, коксуемость 10% остатка топлива, йодное число, допустимые значения которых приведены в таблице 1.
ഊ>Согласно ГОСТ дизельное топливо не должно содержать механических примесей и воды. Механические примеси (пыль, песок,ржавчина) увеличивают износ деталей дизельной топливной аппаратуры, приводят к засорению отверстий в распылителях форсунок. Наличие в топливе воды усиливает его коррозирующие свойства и может вызвать перебои в работе дизеля.
ഊ>Качество дизельных топлив проверяют в условиях эксплуатации сопоставлением паспортных данных требованиям ГОСТов. В паспорте указывают цетановое число, кинематическую вязкость при 20°С, температуры помутнения и застывания, содержание серы и фактических смол. При оценке качества дизельного топлива по паспорту определяют минимальную температуру, при которой данное топливо допустимо использовать, а также по подгруппе марки топлива назначают использование соответствующего масла для двигателя.
ഊ>dizelist.ru
