Лекция№1

ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ

1.1. Классификация, основные параметры, механизмы и системы двигателя

Двигатель – это это преобразователь какого-либо энергии в механическую работу.

Двигатели, установленные на большинстве автотранспортных средств, называются двигателями внутреннего сгорания, потому что процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превра­щения ее в механическую работу происходит непосредственно в его цилиндрах.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют по различ­ным признакам.

По способу смесеобразования различают двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых горю­чая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутрен­ним смесеобразованием (дизели), у которых рабочая смесь обра­зуется внутри цилиндров.

По способу выполнения рабочего цикла двигатели подразделяют­ся на двух- и четырехтактные.

По числу цилиндров двигатели подразделяются на одно-, двух-и многоцилиндровые.

По расположению цилиндров различают двигатели с вертикаль­ным или наклонным расположением цилиндров в один ряд и V-образные двигатели с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180° двигатель называют оппозитным, или двигателем с противолежащими цилиндрами).

По способу охлаждения различают двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.

По виду применяемого топлива двигатели подразделяются на бензиновые (карбюраторные, газовые), дизельные и многотоп­ливные.

В зависимости от вида применяемого топлива способы воспла­менения рабочей смеси в двигателях различны. В карбюраторных двигателях смесь, приготовленная из паров бензина и воздуха, и в газовых двигателях смесь, состоящая из сжатого или сжиженно­го горючего газа и воздуха, воспламеняются электрической ис­крой. В дизелях мелкораспыленное дизельное топливо, впрыскнутое в цилиндры, самовоспламеняется под действием высокой тем­пературы сжатого воздуха без постороннего источника зажигания. В многотопливных двигателях (ЗИЛ-645), конструкции которых позволяют использовать дизельное топливо, бензин и другие виды топлива, воспламенение рабочей смеси происходит так же, как и в дизелях, — от сильно нагретого воздуха вследствие высокой сте­пени его сжатия.

Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов и сис­тем, общее устройство и принцип работы которых рассмотрен на примере четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного дви­гателя (рис. 1.1). Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также система питания, смазочная система и системы охлажде­ния и зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное дви­жение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра 17, головки ци­линдров 6, являющейся крышкой, закрывающей цилиндр сверху; поршня 5 с кольцами 14 и пальцем 16, который соединяет пор­шень с верхней головкой шатуна 18. Нижняя головка шатуна 18 соединена с коленчатым валом 21, на заднем конце которого уста­новлен маховик 19. Коленчатый вал вращается в коренных под­шипниках, расположенных в картере 20 двигателя, который сни­зу закрыт поддоном 22, используемым в качестве резервуара для масла.                              

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Этот механизм приводится в действие от коленчатого вала через зубчатые колеса 1. При этом распределительный вал 2, воздействуя на толкатели 3, штанги 4 и коромысла 8, открывает впускной 11 или выпускной 13 клапан, закрытие которых проис­ходит под действием клапанных пружин 9.

Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания из цилиндра. При помощи насоса топливо из топливного бака подается в карбюратор 10, где оно в необходимом соотношении смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, которая затем по впускному газопроводу (показано стрелкой) поступает в ци­линдр двигателя. В систему питания также входят фильтры для очистки воздуха и топлива, выпускной газопровод с глушителем 7 шума выпуска.

Смазочная система обеспечивает подачу масла к взаимодейству­ющим деталям. Она состоит из насоса, маслоподводящих каналов, фильтров для очистки масла и радиатора для его охлаждения.

Система пуска – это комплекс взаимодействующих механизмов, обеспечивающих запуск двигателя.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндро-поршневой группы и клапанного механизма. Система охлаждения бывает жидкостной или воздушной. Жидкостная система охлаждения состоит из рубашки (полости) 15, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость жидкостного насоса, термостата, вентилятора и радиатора.

При воздушной системе охлаждения заданный температурный режим достигается удалением теплоты от наружных ребер, имеющихся на цилиндре и его головке, которые при движении автомобиля обдуваются встречным потоком воздуха.

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя. Она включает в себя источники электрической энергии (аккумуляторную батарею, генератор); приборы, преобразующие ток низкого напряжения в ток высокого напряжения; провода, подводящие ток высокого напряжения к свече зажигания 12, электрическая искра от которой воспламеняет рабочую смесь.

Взаимодействие механизмов и систем двигателя происходит следующим образом. Когда поршень 5 опускается вниз, горючая смесь через открытый впускной клапан 11 поступает в цилиндр.

При движении поршня вверх она сжимается. Когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и сгорает. В процессе сгорания образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под действием давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун 18 и кривошип вала приводит во вращение коленчатый вал 21. Таким образом происходит преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Затем поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы через открывающийся выпускной клапан 13.

Маховик вала делают достаточно массивным, чтобы, получив во время сгорания смеси, он смог, вращаясь, перемещать кривошип, а затем и поршень в цилиндре до очередного воспламенения смеси.

Рис. 1.1. Четырехтактный одноцилиндровый карбюраторный двигатель:

1 — зубчатые колеса; 2 — распределительный вал; 3 — толкатели; 4 — штанги;

5 — поршень; 6 — головка цилиндров; 7 — глушитель; 8 — коромысла; 9 — клапанные пружины; 10 — карбюратор; 11 — впускной клапан; 12 — свеча зажигания; 13 — выпускной клапан; 14 — поршневые кольца; 15 — рубашка (полость) охлаждающей жидкости; 16 — поршневой палец; 17 — цилиндр; 18 —шатун; 19 — маховик; 20 — картер двигателя; 21 — коленчатый вал; 22 — поддон

Основными конструктивными параметрами двигателя являются диаметр цилиндра, ход поршня и число цилиндров, которые обусловливают его габаритные размеры.

При одном обороте коленчатого вала 3 двигателя (рис. 1.2) поршень 2 делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение направления движения поршня в цилиндре 1 происходит в двух крайних точках, называемых мертвыми, так как в них скорость поршня равна нулю.

Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее положение поршня — нижней мертвой точкой (НМТ).

Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом S поршня, который равен удвоенному радиусу R кривошипа:

S=2R.

Следовательно, при перемещений поршня от одной мертвой точки до другой коленчатый вал.  Поворачивается на 180°, т.е. совершает пол-оборота.

Рис. 1.2. Схема двигателя для определения его

основных параметров:

1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — коленчатый вал; R — радиус кривошипа; S — ход поршня; Vc — объем камеры сгорания; Va— полный объем цилиндра; Vh — рабочий объем цилиндра; D — диаметр цилиндра; ВМТ — верхняя мертвая точка; НМТ — нижняя мертвая точка

 

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой

сгорания, объем которой обозначается Vc.

Пространство цилиндра между верхней и нижней мертвыми точками называется его

рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh цилиндра составляет полный объем цилиндра, обозначаемый Va.

Va= Vh+ Vc

 

Рабочий объем цилиндра измеряется в кубических сантиметрах или литрах и определяется по формуле:

Vh = πD²S/4,

где D — диаметр цилиндра.

Сумма всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называется рабочим объемом Vл двигателя (литражом), который определяется по формуле:

Vл= πD²S i /4,

где i — число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vс называется степенью сжатия е и определяется по формуле:

ε = (Vс + Vh)/Vс = Vа/Vс = 1 + Vh/Vс.

Степень сжатия — безразмерная величина. Она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха, находящихся в цилиндре, при перемещении поршня от НМТ к ВМТ.

Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление рабочей смеси при подходе поршня к ВМТ.

С увеличением степени сжатия повышается коэффициент полезного действия (КПД), мощность и топливная экономичность двигателя. Однако повышение степени сжатия карбюраторных и газовых двигателей возможно лишь до определенных пределов, после достижения которых увеличение степени сжатия приводит к преждевременному самовоспламенению рабочей смеси и вызывает взрывное сгорание — детонацию топлива, снижающую работоспособность двигателя.

Различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры самовоспламенения, поэтому вид топлива, на котором работает двигатель, определяет пределы его степени сжатия.

У автомобильных двигателей, работающих на бензине (карбюраторных двигателей), е = 6... 10; у двигателей, работающих на газе, ε= 7...9,5; у дизелей ε = 14... 21. Верхний предел степени сжатия (ε = 18... 21) для дизелей в основном обусловлен максимальными нагрузками от давления газов на детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов.