Силовые агрегаты

По виду применяемого топлива — на двигатели легкого или светлого топлива (бензин, лигроин, керосин), на двигатели тяжелого топлива (дизельное топливо, соляровое масло, нефть) и двигатели газообразного топлива (генераторный и природные газы).    

По способу осуществления рабочего цикла — на двигатели четырехтактные и двухтактные.    

По числу цилиндров — на двигатели одноцилиндровые и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шести- и восьмицилиндровые и т. д.).    

По расположению цилиндров — на двигатели вертикальные, горизонтальные и V-образные с цилиндрами, расположенными под углом.

При угле расположения цилиндров  180° двигатель называется оппозатным.

1. По охлаждению:—  на двигатели с водяным или  воздушным охлаждением.

8. По назначению  — на двигатели транспортные  и стационарные.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение при выполнении различных сельскохозяйственных работ и в комплексной механизации сельского хозяйства; для этих целей используются двигатели мощностью от 1,48—3,7 квт (2—5 л. с.) до 184 квт (250 л. с.).

Маломощные двигатели обычно выполняются легко транспортабельными — переносными или передвижными; применяются они на отдаленных участках совхозов и колхозов, где подвод электроэнергии является затруднительным или нерентабельным. Используются такие двигатели на машинах и оборудовании, механизирующих трудоемкие работы: на силосорезках, соломорезках, зерновых транспортерах и др.

Двигатели средней мощности 14,9—36,8 квт (20—50 л. с.) выполняются как транспортного типа (для тракторов и малолитражных автомобилей), так и стационарного. На стационарных работах они используются для полевых электростанций, в небольших мастерских, на водокачках и др.

Двигатели повышенной мощности — 73,6—185 квт (100—250 л. с.) применяются на скоростных тракторах, комбайнах и на стационарных работах (привод молотилок, электростанций и др.).

Двигатели мощностью 73,6 квт (100 л. с.) и выше применяются на тракторах специального назначения, мощных грузовых автомобилях и на электростанциях для небольших поселков.

3.3. Механизмы и системы двигателя.

 

Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие механизмы и системы:

Кривошипно-шатунный механизм (поршень, шатун и коленчатый вал) служит для восприятия давления газов и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Механизм газораспределения предназначен для своевременного открытия и закрытия клапанов и состоит из клапанов, пружин и деталей их привода — распределительного вала и распределительных шестерен, толкателей, штанг и коромысел.

Система охлаждения бывает водяная и воздушная; служит она для охлаждения деталей двигателя. Система водяного охлаждения состоит из водяного насоса, вентилятора, водяной рубашки, радиатора и термостата; у двигателей с воздушным охлаждением цилиндры и головки блока имеют специальные охлаждающие ребра.

Система смазки служит для подвода смазки к трущимся деталям и состоит из масляного насоса, маслопроводов, фильтров и иногда масляного радиатора.

Система питания предназначена для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндрам (карбюраторный двигатель) или подачи воздуха и топлива в цилиндры двигателя (дизель) и приготовления в них рабочей смеси. Система питания карбюраторных двигателей и дизелей состоит из топливных баков, топливопроводов, кранов, фильтров, топливных насосов, карбюраторов или форсунок.

Система зажигания применяется в карбюраторных и газовых двигателях и служит для воспламенения сжатой в цилиндре рабочей смеси. На отечественных тракторных и 'сельскохозяйственных карбюраторных двигателях система зажигания состоит из магнето, проводов и свечей, а на автомобилях — из аккумуляторной батареи, генератора, индукционной катушки, проводов, свечей и прерывателя распределителя. На дизелях система зажигания отсутствует.

Система пуска предназначена для пуска двигателя в ход. К ней относятся: пусковой бензиновый двигатель с механизмом передачи (на тракторе), электрический стартер на автомобиле и иногда на тракторе, декомпрессионный механизм, система подогрева воды и воздуха.  

 

 

 

3.4. Основные определения.

В качестве силовых установок на современных тракторах и автомобилях получили применение двигатели внутреннего сгорания, т. е. такие двигатели, в которых топливо в смеси с воздухом сгорает внутри рабочих цилиндров.

В зависимости от способов воспламенения рабочей смеси (смеси топлива с воздухом) двигатели разделяются на две группы: карбюраторные или двигатели с принудительным воспламенением смеси от электрической искры и дизели или двигатели, работающие с воспламенением от сжатия. К двигателям с воспламенением от искры относятся также газовые двигатели и двигатели с непосредственным впрыском топлива во впускную систему. В каждой из указанных групп могут быть четырехтактные и двухтактные двигатели.

 

 

 

 

 

Двигатель, в котором рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала 4П рад (720°), называется четырехтактным.

Двухтактным двигателем называется такой, у которого цикл работы совершается за два хода поршня, или за один оборот коленчатого вала 2П рад (360°).

Верхней мертвой точкой (в. м. т.) называется такое положение поршня в цилиндре, когда поршень наиболее удален от оси коленчатого вала (рис.3). Нижней мертвой точкой (н. м. т.) называется такое положение поршня в цилиндре, когда поршень наименее удален от оси коленчатого вала. В мертвых точках скорость поршня равна нулю, так как в них изменяется направление движения поршня.

Расстояние, проходимое поршнем от верхней мертвой точки к нижней, называется ходом поршня и обозначается буквой S. Каждому ходу поршня соответствует П рад (180°) — полуоборот — поворота коленчатого вала. Ход поршня равен  удвоенному радиусу кривошипа:  S=2R

Объем, освобождаемый в цилиндре двигателя при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней, называется рабочим объемом цилиндра и обозначается через Vh. Литражом двигателя называется сумма рабочих объемов цилиндров, выраженная в литрах:

  

где D — диаметр цилиндра см;   

S- ход поршня, см  

i -число цилиндров двигателя.

Рабочий объем цилиндров двигателя определяется по формуле                                         

где D — диаметр цилиндра, см;

S — ход  поршня, cм;

i — число цилиндров.

Объем над поршнем при нахождении последнего в верхней мертвой точке называется камерой сжатия или камерой сгорания и обозначается через Vс.

Полный объем цилиндраVспредставляет сумму двух объемов: объема камеры сжатия Vс и рабочего объема цилиндра Vh:

Va=Vс+Vh. 

Степенью сжатия е называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия

Степень сжатия выражается в отвлеченных единицах.

Так как различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры самовоспламенения, то степень сжатия определяет вид топлива, на котором может работать данный двигатель.

Карбюраторные двигатели, работающие на керосине, имеют степень сжатия 3,5 — 4,5; на бензине — 6 — 10; на газе — 7 — 9. Дизельные двигатели имеют степень сжатия 14 — 22. Степень сжатия влияет на экономичность и мощность двигателя: с увеличением е улучшается экономичность и увеличивается мощность.

Двигатели, применяемые на тракторах и автомобилях, в большинстве случаев работают по четырехтактному циклу, который характеризуется тем, что из четырех тактов, совершаемых за два оборота коленчатого вала, один является рабочим, т. е. таким, при котором энергия сгоревшей горючей смеси создает в цилиндре необходимое давление, заставляющее перемещаться поршень и с помощью шатуна вращать коленчатый вал; три такта являются вспомогательными. Они служат для:

а)  заполнения цилиндра свежей горючей смесью или воздухом;

б)  сжатия этой смеси или воздуха перед воспламенением или перед

вспрыском распыленного жидкого топлива;

в)  очистки цилиндра от продуктов сгорания.

В связи с этим каждый из тактов имеет свое наименование: первый — впуск, второй — сжатие, третий — рабочий ход (расширение) и четвертый — выпуск.

3.5. Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя.

Такт впуска.

При такте впуска (рис. 4) поршень движется от в. м. т. к  н: м. т., объем над поршнем при этом увеличивается, в полости цилиндра создается разрежение, отчего атмосферный воздух устремляется в цилиндры двигателя через открытый впускной клапан; воздух предварительно проходит через карбюратор, образуя в нем горючую смесь (смесь топлива с воздухом).

Если в прямоугольной системе координат по оси ординат откладывать давление р в цилиндре, по оси абсцисс — объемы V цилиндра, соответствующие перемещению поршня, то процесс впуска будет изображаться кривой rа, направленной вниз от линии атмосферного давления.

Давление газов в цилиндре при впуске составляет 0,075—0,09 Мн/м2 (0,75—0,90 кГ/см2) и зависит от числа оборотов коленчатого вала, сопротивлений в клапанах и в карбюраторе, температуры стенок цилиндра и других факторов. Температура горючей смеси при такте впуска возрастает на 50—80° С за счет соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя (клапаны, поршень, стенки цилиндра и др.) и смешивания с остаточными газами, имеющими высокую температуру.

Заполнение цилиндра двигателя горючей смесью характеризуется коэффициентом наполнения, который находится в пределах 0,75—0,85 и представляет отношение объема горючей смеси, поступившей в цилиндр за один ход поршня, к рабочему объему цилиндра (при давлении и температуре окружающей среды). У дизелей коэффициент наполнения несколько выше, так как у них отсутствует карбюратор и дроссельная заслонка. Чем выше коэффициент наполнения у двигателя, тем большую он может развить мощность.

Такт сжатия.

При такте сжатия (рис.4-1) впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень движется от н. м.т. к в. м.т. и сжимает горючую смесь, находящуюся в цилиндре двигателя. Процесс сжатия изображается кривой ас. По мере уменьшения объема смеси давление и температура в цилиндре повышаются. Горючая смесь, состоящая из частиц топлива и воздуха, в конце такта сжатия сильно уплотняется, отчего происходит подготовка топлива к сгоранию; горючая смесь здесь называется рабочей смесью.

Давление конца сжатий находится в пределах 0,5—0,9 Мн/м2 (5—9 кГ/см2), а температура рабочей смеси достигает 523—573° К (250—300° С).

Чем выше степень сжатия двигателя, тем больше давление и температура рабочей смеси в конце такта сжатия; сгорание ее происходит с большой скоростью; мощность и экономичность двигателя при этом повышаются.

Рабочий ход.

При рабочем ходе (рис. 4-2) впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень движется от в. м.т. к н. м.т. Процесс сгорания и расширения (рабочий ход) изображается кривой сzb. Рабочая смесь воспламеняется электрической искрой с опережением, т. е. еще при такте сжатия, когда поршень не доходит до в. м. т. на 0,425— 0,524 рад (25—30°) по углу оборота коленчатого вала. Смесь почти полностью сгорает, когда поршень проходит в. м. т. на 0,0524—0,0873 рад (3—5°), Наличие опережения обеспечивает наибольшее давление в цилиндре, когда поршень проходит в. м.т. При горении смеси внутри цилиндра выделяется тепло, вследствие чего температура и давление горящих газов сильно возрастают. Это давление, воздействуя на днище поршня, заставляет его перемещаться к н. м. т. и с помощью шатуна вращать коленчатый вал, совершая при этом механическую работу.

При горении давление газов достигает 3—3,5 Мн/м2 (30—35 кГ/см2), а температура до 2773° К (2500°С), в конце рабочего хода (точка b) давление снижается до 0,5—0,6 Мн/м2 (5,0—6,0 кГ/см2).

Такт выпуска.

При такте выпуска (рис. 4-3) выпускной клапан открыт, поршень движется от н. м.т. к в. м. т. и выталкивает наружу отработавшие газы из полости цилиндра. Процесс выпуска на диаграмме изображается кривой br, расположенной над линией атмосферного давления. Давление отработавших газов на линии выпуска несколько выше атмосферного и равно 0,1—0,12 Мн/м2 (1,05—1,15 кГ/см2), а тем-пература 1173—1373° К (900—1100° С).

В связи с наличием в двигателе камеры сгорания полностью очистить цилиндр от продуктов сгорания не представляется возможным. Поэтому в цилиндре после такта выпуска всегда находится некоторое количество остаточных газов. При впуске в цилиндр новой порции свежей смеси она загрязняется, смешиваясь с остаточными газами.

Диаграмма изменения давлений (кривая raczbr) в цилиндре двигателя за цикл называется индикаторной диаграммой (рис. 4-3). Индикаторная диаграмма может быть построена или расчетом, или снятием с работающего двигателя при помощи специального прибора — индикатора. На индикаторной диаграмме полезной работе соответствует площадь сzbc, а отрицательной работе, или насосным потерям,— площадь, очерченная линией впуска rа, лежащей ниже атмосферной линии, и линией rb, расположенной выше атмосферной линии.

Наличие в смеси остаточных газов, содержащих углекислый газ, уменьшает скорость сгорания и распространения пламени, которая в цилиндре двигателя имеет значение порядка 25—40 м/сек.

На скорость распространения пламени также оказывают влияние: а) расположение свечи (если свеча находится в холодной зоне, а пламя распространяется в сторону горячих поверхностей, то скорость сгорания имеет большую величину); б) форма камеры сгорания и вихревое движение смеси в ней (при наличии вихревого движения скорость распространения пламени в топливовоздушной смеси значительно возрастает) ; в) состав смеси; г) степень сжатия и др.

Воспламенение рабочей смеси в цилиндре представляет собой явление окислительной реакции, при которой выделяющееся тепло вызывает появление пламени. Моменту воспламенения предшествует период предварительных окислительных реакций меньшей интенсивности.

В двигателях с внешним смесеобразованием окислительные реакции начинают появляться в процессе сжатия горючей смеси.

Процесс сгорания и расширения в двигателях внутреннего сгорания является одним из важных периодов рабочего цикла, так как в течение этого периода химическая энергия топлива превращается в тепловую и затем частично в механическую.

3.6. Рабочий процесс четырехтактного дизеля.