История создания многотопливных двигателей

 

По способу осуществления  рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные; По числу цилиндров - одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; По расположению цилиндров - двигатели  с вертикальным или наклонным  расположением цилиндров в один ряд, V-образные с расположением цилиндров  под углом (при расположении цилиндров  под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);

 

По способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или  воздушным охлаждением; По виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые  и многотопливные [1];

 

По степени сжатия. В  зависимости от степени сжатия различают  двигатели высокого (E=12.... 18) и низкого (E=4.... 9) сжатия;

 

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: а) двигатели  без наддува, у которых впуск  воздуха или горючей смеси  осуществляется за счет разряжения в  цилиндре при всасывающем ходе поршня; б) двигатели с наддувом, у которых  впуск воздуха или горючей  смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения  повышенной мощности двигателя;

 

По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные; По назначению различают двигатели  стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др. [4].

 

    Основы устройства  поршневых ДВС

 

Поршневые ДВС состоят  из механизмов и систем, выполняющих  заданные им функции и взаимодействующих  между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.

 

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала [1]. Механизм газораспределения  обеспечивает своевременный впуск  горючей смеси в цилиндр и  удаление из него продуктов сгорания.

 

Система питания предназначена  для приготовления и подачи горючей  смеси в цилиндр, а также для  отвода продуктов сгорания.

 

Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим  деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов  изнашивания. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим  работы двигателя, обеспечивая отвод  теплоты от сильно нагревающихся  при сгорании рабочей смеси деталей  цилиндров поршневой группы и  клапанного механизма. Система зажигания  предназначена для воспламенения  рабочей смеси в цилиндре двигателя [1].

 

Итак, четырехтактный поршневой  двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. 1, а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана  с днищем в верхней части. Поршень  через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который  вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм (см. рис. 1, б). Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня [5]. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ).

 

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска  с массивным ободом.

 

Расстояние, проходимое поршнем  от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

 

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ  называется камерой сгорания (рис. 1, а); ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т. к. сильно влияет на его экономичность и мощность [5].

 

    Принцип работы

 

Действие поршневого двигателя  внутреннего сгорания основано на использовании  работы теплового 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 давления. Т. к. давление под поршнем  равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан 15 и топливо через форсунку 16 (рис. 1) или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан 17. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.

 

    Принцип действия  четырехтактного карбюраторного  двигателя

 

Рабочим циклом двигателя  называется периодически повторяющийся  ряд последовательных процессов, протекающих  в каждом цилиндре двигателя и  обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два  хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого  вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели  работают, как правило, по четырехтактному  циклу, который совершается за два  оборота коленчатого вала или  четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска. В карбюраторном  четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 2) рабочий цикл происходит следующим  образом:

 

1. Такт впуска (рис. 2, I). По  мере того, как коленчатый вал  двигателя делает первый полуоборот, поршень 2 перемещается от ВМТ  к НМТ, впускной клапан 4 открыт, выпускной клапан 3 закрыт. В цилиндре  создается разряжение 0. 07 - 0. 095 МПа,  вследствие чего свежий заряд  горючей смеси, состоящий из  паров бензина и воздуха, засасывается  через впускной газопровод 5 в  цилиндр и, смешиваясь с остаточными  отработавшими газами, образует  рабочую смесь [1]. 2. Такт сжатия (рис. 2, II). После заполнения цилиндра  горючей смесью при дальнейшем  вращении коленчатого вала (второй  полуоборот) поршень перемещается  от НМТ к ВМТ при закрытых  клапанах 3 и 4. По мере уменьшения  объема температура и давление  рабочей смеси повышаются.

 

3. Такт расширения или  рабочий ход (рис. 2, III). В конце  такта сжатия рабочая смесь  воспламеняется от электрической  искры и быстро сгорает, вследствие  чего температура и давление  образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается  от ВМТ к НМТ.

 

В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем  шатун 1 совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому  ход поршня при третьем полуобороте  коленчатого вала называют рабочим  ходом.

 

В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ  открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0. 3 0. 75 МПа, а температура до 950 - 1200 С.

 

4. Такт выпуска (рис. 2, IV). При четвертом полуобороте коленчатого  вала поршень перемещается от  НМТ к ВМТ. При этом выпускной  клапан 3 _

 

открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу  через выпускной газопровод 6 [1].

 

    Принцип действия  четырехтактного дизеля

 

В четырехтактном двигателе (рис. 3) рабочие процессы происходят следующим образом:

 

1. Такт впуска (рис. 3, I). При  движении поршня 2 от ВМТ к НМТ  вследствие образующегося разряжения  из воздухоочистителя 4 в полость  цилиндра 7 через открытый впускной  клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре  составляет 0. 08 - 0. 095 МПа, а температура  40 - 60 С. 2. Такт сжатия (рис. 3, II). Поршень  движется от НМТ к ВМТ; впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты,  вследствие этого перемещающийся  вверх поршень 2 сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1.

 

3. Такт расширения, или  рабочий ход (рис. 3, III). Впрыснутое  в конце такта сжатия топливо,  перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс  сгорания, характеризующийся быстрым  повышением температуры и давления. При этом максимальное давление  газов достигает 6 - 9 МПа, а температура  1800 2000 С. Под действием давления  газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0. 3 - 0. 5 МПа, а температура до 700 - 900 С.

 

4. Такт выпуска (рис. 3, IV). Поршень перемещается от НМТ  в ВМТ и через открытый выпускной  клапан 6 отработавшие газы выталкиваются  из цилиндра. Давление газов снижается  до 0. 11 - 0. 12 МПа, а температура  до 500-700 С. После окончания такта  выпуска при дальнейшем вращении  коленчатого вала рабочий цикл  повторяется в той же последовательности. Для обобщения на рис. 4 [1] показаны  схемы рабочего цикла карбюраторных  двигателей и дизелей.

 

    Принцип действия  двухтактного двигателя

 

Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них  наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров  от отработавших газов в конце  хода расширения, т. е. процессы выпуска  и впуска происходят без самостоятельных  ходов поршня. Общий процесс для  всех типов двухтактных

 

двигателей - продувка, т. е. процесс  удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси  или воздуха. Поэтому двигатель  данного вида имеет компрессор (продувочный  насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой (рис. 4). У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет  поршень, который при своем перемещении  закрывает впускные, выпускные и  продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенные моменты  сообщается с впускным и выпускным  трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного  сообщения с атмосферой. Цилиндр 4 в средней части имеет три  окна: впускное 7, выпускное 6 и продувочное 2, которое сообщается клапаном 1 с  кривошипной камерой 9 двигателя.

 

    Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта:

 

1. Такт сжатия (рис. 4, а). Поршень  3 перемещается от НМТ к ВМТ,  перекрывая сначала продувочное  2, а затем выпускное 6 окно. После  закрытия поршнем выпускного  окна 6 в цилиндре 4 начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 9 вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора 8 через открытое впускное окно 7 поступает горючая смесь в кривошипную камеру. 2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 5, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ (рис. 4, б), при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно 7 и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.

 

Когда поршень дойдет до выпускного окна 6 (рис. 4, в), оно открывается  и начинается выпуск отработавших газов  в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении  поршень открывает продувочное  окно 2 и сжатая в кривошипной  камере горючая смесь перетекает по каналу 1, заполняя цилиндр и осуществляя  продувку его от остатков отработавших газов [6]. Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в  цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.

 

Мощность двухтактного двигателя  при одинаковых размерах цилиндра и  частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного  за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты  части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60.... 70%.

 

Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей Рабочий цикл четырехтактного двигателя  состоит из пяти процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые  совершаются за четыре такта или  за два оборота коленчатого вала.

 

Графическое представление  о давлении газов при изменении объема в цилиндре двигателя в процессе осуществления каждого из четырех циклов дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным теплового расчета или снята при работе двигателя с помощью специального прибора - индикатора. На рис. 6, а приведена индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя.