Двигатели внутреннего сгорания

(ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С. Костовичем в 80-х гг. XIX в., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

Основные преимущества ДВС - независимость от источника внешней энергии, высокая удельная (на единицу массы) мощность, относительно высокий КПД и надёжность.

Недостатки – шум, токсичность выхлопа и нарушение теплового баланса окружающей среды, необходимость применения коробки передач для изменения крутящего момента и реверсирования, большая чувствительность к перегрузкам, сравнительно малый срок службы (2400-3600ч до капремонта), высокая $ эксплуатации. Кроме того, недостатком ДВС является их внешняя характеристика (зависимость крутящего момента М_к от частоты вращения n, не в полной мере отвечающая требованиям работы строительных машин.

В ДВС тепловая энергия, скрытая в топливе, преобразуется в пределах 18-37 % в механическую энергию вращающегося коленчатого вала. При сгорании топлива в цилиндре двигателя происходит нагревание газов, которые, расширяясь, давят на поршень, передающий усилие ч/з шатун на коленчатый вал.

В состав ДВС входят:

1) шатунно-кривошипный механизм, передающий усилие на коленчатый вал и преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала;

2) распределительный механизм, обеспечивающий своевременное открывание и закрывание всасывающих и выхлопных клапанов;

3) система питания, подающая горючее в цилиндры

Система питания карбюраторного двигателя включает: топливный бак, топливопроводы, фильтры, топливный насос, а также карбюратор, в котором происходит приготовление смеси топлива и воздуха. В систему питания дизельного двигателя кроме бака, топливопроводов, фильтров и подкачивающего насоса входят топливный насос высокого давления и форсунки, через которые дизельное топливо впрыскивается в рабочее пространство цилиндров, заполненное нагретым и сжатым воздухом;

4) система смазки, подающая масло из картера к трущимся поверхностям деталей. В систему смазки входят шестеренный масляный насос, фильтры грубой и тонкой очистки, редукционные клапаны, маслопроводы и контрольные приборы;

5) система охлаждения, обеспечивающая охлаждение наиболее нагретых деталей двигателя.

Большинство двигателей имеет жидкостное охлаждение. Цилиндр и головка блока охлаждается водой, циркулирующей внутри полостей - водяных рубашек. Трущиеся поверхности цилиндров, поршней, коленчатого вала и шатунов охлаждаются маслом системы смазки. В систему охлаждения входят рубашки двигателя, радиатор, соединительные патрубки и водяной насос. Охлаждение воды в радиаторе осуществляется потоком воздуха, подаваемого вентилятором;

6) система зажигания горючей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя. Дизельные двигатели не имеют системы зажигания, т.к топливо в их цилиндрах воспламеняется под действием высокой f° сжатого воздуха. В состав системы зажигания входят свечи, между электродами которых в определенный момент появляется эл. искра, источник высокого напряжения - 12..18 кВ (магнето- или индукционная катушка, прерыватель - распределитель, генератор) и соединяющие провода.

ДВС характеризуются номинальной (паспортной) мощностью, частотой вращения коленчатого вала в 1 мин и удельным расходом топлива. Главные конструктивные параметры ДВС - диаметр цилиндра, ход поршня, частота вращения коленчатого вала, рабочий объем цилиндров, степень сжатия, габаритные размеры двигателя и его масса.

Верхняя мертвая точка (в.м.т.) - это крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (н.м.т.) - это крайнее нижнее положение поршня.

Ход поршня - расстояние, пройденное им от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на пол-оборота.

Камера сгорания (сжатия) - это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в в.м.т.

Рабочий объем цилиндра - пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из в.м.т. в н.м.т.

Литраж - это рабочий объем всех цилиндров двигателя. При малых объемах до 1 л) его выражают в см³, а при больших - в литрах.

Полный объем цилиндра - сумма объема камеры сгорания и рабочего объема Степень сжатия - это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В карбюраторных двигателях степень сжатия колеблется в пределах 6…9, а в дизелях - 15...20.

Такт - процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за 4 хода поршня, наз. четырехтактным.

Р а б о ч и м ц и к л о м или рабочим процессом ДВС наз. после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск). Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом. В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой.

1 такт (рис. а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления.

2 такт (рис. б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном 6 и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7.

3 такт (рис. в) - образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз, пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы.

4 такт - заключительный (рис. г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу.

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого ч/з форсун­ку 7 (рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом ч/з форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3, 2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на коленчатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует из описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механическое движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала.

Рис. 3.4. Схемы четырехтактных двигателей:

а - четырехцилиндровый; б — шестицилиндровый; в — восьмицилиндровый

Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не ЭД постоянного тока, называемым старте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Полуобо­рот коленвала	Угол поворота коленвала, град	Цилиндр
		1	2	3	4
1-й	0…180	Раб ход	Выпуск	Сжатие	Впуск
2-й	180…360	Выпуск	Впуск	Раб. ход	Сжатие
3-й	360…540	Впуск	Сжатие	Выпуск	Раб. ход
4-й	540…720	Сжатие	Раб. ход	Впуск	Выпуск

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Удельный расход топлива - отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВтч) при 280... 320 г/(кВтч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Т на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала n наз. механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей 1, 2, З и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, наз. внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Регуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах n. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Т_н и частота вращения коленчатого вала n_н, мак­симальный момент T_mах и соответствующая ему частота n_m, а так­же частота холостого хода n₀. Как и для привода в целом отношение k_пер = Т_mах/Т_н называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно к_тр = 1,1...1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигате-лем и рабочим ор­га-ном.

Рис. 3.5 – Типовые механические характеристики дизеля