Силовые агрегаты

Процесс работы дизеля отличается от работы карбюраторного двигателя способом образования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие заключается в том, что в цилиндр дизеля в такте впуска поступает атмосферный воздух, который при такте сжатия сильно сжимается. В конце этого такта в среду нагревшегося воздуха при высокой степени сжатия (вследствие молекулярного трения его частиц) насосом высокого давления через форсунку впрыскивается топливо в распыленном состоянии. Топливо в цилиндре, смешиваясь с воздухом, воспламеняется и сгорает под действием высокой температуры воздуха.

При такте впуска (рис. 5.) в цилиндр дизеля поступает атмосферный воздух, давление его составляет 0,08—0,095 Мн/м2 (0,8—0,95 кГ/см2), а температура 303—323° К (30—50°С). При такте, сжатия поршень сжимает находящийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива в цилиндрах дизеля необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива, впрыскиваемого в конце такта сжатия. Поэтому дизели работают с большими степенями сжатия (14—22), обеспечивающими высокие температуры сжимаемоговоздуха 873—923°К (600—650°С), давление в цилиндре при этом достигает 3,5—4 Мн/м2 (35—40 кГ/см2). При рабочем ходе поршень движется за счет расширения газов. В конце такта сжатия, когда поршень не доходит до в. м. т. на 0,26— 0,52 рад (15—30°) по углу поворота коленчатого вала, в камеру сгорания двигателя впрыскивается топливо под большим давлением, которое обычно   составляет    12—25 Мн/м2(120—250 кГ/см2), а у двухтактных дизелей Ярославского завода -  до 140 Мн/м2 (1400 кГ/см2). Давление впрыска топлива должно значительно превышать давление воздуха, сжатого в камере сгорания для обеспечения более тонкого распыливания топлива и распределения его по всему объему воздуха, сосредоточенного в камере сгорания.

 

рис.3. Схема четырехтактного двигателя.

1) - Топливный  насос.2) - форсунка

Струя топлива при выходе из распыливающих отверстий сопла форсунки под действием высокого давления приобретает огромную скорость и, пронизывая массу сжатого воздуха, раздробляется на миллионы мелко распыленных частиц каждая диаметром 0,002—0,005 мм. Топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр, приходя в непосредственное соприкосновение с горячим воздухом, воспламеняется и начинает гореть.

Угол опережения подачи топлива насосом составляет в среднем 0,262—0,350 рад (15—20°) угла поворота коленчатого вала дизеля.

При подаче топлива в цилиндры дизеля следует иметь в виду два  положения:   1) момент подачи топлива секцией топливного насоса; 2) момент начала впрыска топлива форсункой.

Впрыск топлива через форсунку в камеру сгорания дизеля происходит несколько позднее начала подачи топлива секцией насоса. Объясняется это тем, что при нагнетании топливо несколько сжимается в связи с высоким давлением, а топливопроводы расширяются, поэтому угол опережения подачи топлива секцией насоса всегда больше угла впрыска его форсункой, который составляет для различных дизелей 0,0105—0,175 рад (6—10°).

Давление в цилиндре в конце сгорания составляет 6—9 Мн/м2 (60—90 кГ/см2), а температура 2073—2273°К (1800—2000°С). Продолжающаяся подача топлива в камеру сгорания и его горение сопровождаются перемещением поршня от в. м.т. к н.м. т. и увеличением объема цилиндра, отчего давление в цилиндре остается примерно постоянным на протяжении 5—15% хода поршня. После подачи топлива его горение прекращается (если не учитывать некоторое догорание) и происходит расширение продуктов сгорания при постепенном снижении давления до 0,4—0,5 Мн/м2 (4,0—5,0 кГ/см2) и температуры до 873—973° К (600—700° С).

Расширение газов у дизелей значительно большее, чем в карбюраторных двигателях. В карбюраторных двигателях из-за сравнительно малой степени расширения температура отработавших газов в конце расширения составляет 1173—1373°К (900—1100°С), а у дизелей — 873—973°К (600—700°С), поэтому у этих двигателей меньше тепла уходит с отработавшими газами, чем и обеспечивается более высокая их экономичность.

Такт выпуска у дизелей отличается более низкими температурами выпускных газов.

Параметры рабочих процессов карбюраторного и дизельного двигателей, работающих по четырехтактному циклу, даны в табл. 1.

Таблица 1.

Давление и температура газов в цилиндрах четырехтактных двигателей.

Такт	Параметр	Карбюраторный двигатель	Дизель
Впуск	Давление в конце впуска, Мн/м2 (кГ/см2) Температура в конце впуска, °К (°С)	0,07—0,09 (0,7—0,90) 323—353 (50—80)	0,08—0,095 (0,8—0,95) 303—323 (30—50)
Сжатие	Давление в конце сжатия, Мн/м2 (кГ/см2) Температура в конце сжатия, °К(оС)	0,5—0,9 (5,0—9,0) 523—573 (250—300)	3,5—4 (35—40) 873—923 (600—650)
Расширение (рабочий ход)	Давление в конце сгорания, Мн/м2 (кГ/см2) Температура в конце сгорания, °К (°С)	3—3,5 (30—35) 2773 (2500)	6—9 (60—90) 2073—2273 (1800—2000)
Выпуск	Давление в конце расширения, Мн/м2(кГ/см2) (начало открытия выпускного клапана)     Температура в конце выпуска, °К (°С)	0,5—0,6 (5,0—6,0)     1173—1373 (900—1100)	0,4—0,5 (4,0—5,0)     873—973 (600—700)

 

 

3.7. Рабочий процесс двухтактного двигателя.

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала 2 рад (360°). В связи с этим двухтактный цикл характеризуется тем, что у него один такт является рабочим, а второй- вспомогательным. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой (рис.6). Конструктивно этот двигатель проще четырехтактного. В таком двигателе отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, закрывающий при своем движении выпускные, впускные и продувочные окна. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается в определенные моменты с впускным и выпускным трубопроводами, а также с кривошипной камерой, которая в данном типе двигателя выполнена герметичной, так как она участвует в рабочем цикле. Цилиндр двигателя в средней части имеет три окна: впускное 2, выпускное 3 и продувочное 4, служащее для сообщения цилиндра с картером 1 при помощи перепускного канала 5. Когда поршень расположен в в. м. т., в камере сгорания имеется сжатая поршнем смесь, и в то же время в кривошипной камере   

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                

 

 

 

 

 

 

находится засосанная поршнем при его движении к в. м.т. горючая смесь. При воспламенении сжатой рабочей смеси электрической искрой давление в цилиндре над поршнем резко возрастет и поршень начнет перемещаться от в. м. т. к н.м.т., совершая рабочий ход. При движении поршня к н. м.т. одновременно будут происходить рабочий ход в цилиндре и сжатие горючей смеси в кривошипной камере. При движении поршня к н. м, т. его верхней кромкой сначала открывается выпускное окно 5 и продукты сгорания, давление которых выше атмосферного, начнут выходить наружу (выпуск). При дальнейшем движении поршня открывается продувочное окно 4 и сжатая в картере горючая смесь перетекает по каналу 5, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков продуктов сгорания. При этом часть горючей смеси неизбежно теряется, выходя вместе с отработавшими газами. При обратном движении от н.м.т. к в.м т.поршень своей верхней кромкой перекрывает продувочное окно 4, затем выпускное 3, после чего начинается сжатие смеси в цилиндре. Одновременно создается разрежение в полости картера до момента открытия нижней кромкой поршня впускного окна 2. После этого процесс начнет повторяться .

Рис. 7. Схема работы двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой; А-сгорание рабочей смеси в цилиндре и наполнение кривошипной камеры горючей смесью. Б-выпуск отработавших газов и наполнение цилиндра. Рабочий процесс двухтактных дизелей с прямоточной продувкой (ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206) осуществляется следующим образом:

Первый такт — перемещение поршня от в. м. т. к н. м. т. При положении поршня около в. м. т. происходит воспламенение топлива, впрыснутого в среду сжатого воздуха через форсунку. Под давлением газов поршень перемещается к н. м. т. Около середины хода поршня происходит открытие выпускных клапанов 3 и отработавшие газы начинают выходить из цилиндра, в результате чего давление в цилиндре резко снижается.36 При достижении верхней кромкой поршня продувочных окон начинается продувка цилиндров сжатым воздухом, поступающим к продувочным окнам 2 от нагнетателя 1 через ресивер 4 под избыточным давлением, достигающим 0,05 Мн/м2 (0,5 кГ/см2). Второй такт — перемещение поршня от н. м. т. к в. м. т. В начале движения поршня до момента перекрытия верхней кромкой поршня продувочных окон в цилиндре продолжается продувка, после чего выпускные клапаны закрываются и происходит сжатие воздуха. В конце сжатия при помощи насос-форсунки осуществляется впрыск топлива в цилиндр под давлением 140 Мн/м2 (1400 кГ/см2) и его сгорание.

После чего цикл повторяется. В сравнении с четырехтактными двигателями двухтактные имеют преимущества, заключающиеся в том, что рабочий ход в них происходит за каждый оборот коленчатого вала 2 рад (360°). Поэтому двигатели, работающие по двухтактному циклу, теоретически должны при одинаковых оборотах коленчатого вала

 

 

 

 

 

 

развивать вдвое большую мощность, чем четырехтактные. Однако худшая очистка цилиндра от продуктов сгорания, частичный унос свежей горючей смеси с отработавшими газами во время продувки и повышенный тепловой режим работы снижают мощность двухтактного двигателя и значительно ухудшают его экономичность. В связи с этим мощность при двухтактном цикле по сравнению с четырехтактным повы¬шается в 1,6—1,7 раза. Наддув двигателей. Наддув на двигателях применяется для повышения их мощности, так как при одних и тех же размерах рабочих цилиндров в двигателе может быть сожжено большее количество топлива. Для осуществления турбонаддува применяются турбокомпрессоры, состоящие из центробежного компрессора 6 (рис. 8) и газовой турбины 4.

В карбюраторных двигателях в рабочие цилиндры двигателя центробежным компрессором, колесо 7 которого вращается колесом 8 газовой 37 турбины, нагнетается горючая смесь, а у дизелей 13 — воздух. В этих случаях давление наддува рн больше давления окружающей среды ро; избыточное давление в среднем составляет:

ри = 0,035 — 0,065 Мн/м2 (0,35 —0,65 кГ/см2).

Работа турбокомпрессора осуществляется следующим образом. При открытии выпускных клапанов 2 отработавшие газы по выпускному коллектору 3 поступают через сопла.на лопатки рабочего колеса 5 газовой турбины 4 и вращают ее. Проходя через сопла, скорость отработавших газов резко возрастает, при этом внутренняя тепловая энергия газов превращается во внешнюю кинетическую энергию потока, которая затем превращается в механическую работу вращения ротора 5. Рабочее колесо 7 компрессора 6, вращаясь, подает под избыточным давлением воздух по коллектору 9 через впускные клапаны 1 в рабочие цилиндры дизеля. Смазка подшипников ротора 5 производится от общей масляной системы дизеля 13 с помощью шестеренчатого масляного насоса 12, масляной центрифуги 11 и фильтра 10 тонкой очистки. На тракторном в восьмицилиндровом V-образном дизеле ЯМЗ-238НБ мощностью 156 квт (212 л. с.) для наддува его воздухом устанавливается турбокомпрессор, состоящий из одноступенчатого центробежного компрессора и радиальной центростремительной турбины. Колесо компрессора и колесо турбины расположены консольно по отношению к подшипникам — на противоположных концах вала ротора.

 

 3.8. Кривошипно-шатунный механизм.

3.8.1. Блок цилиндров, цилиндры, головки блока и картеры.

Блоком цилиндров, или блок-картером, называется группа цилиндров, выполненная в общей отливке. У современных автотракторных двигателей блок цилиндров отливается из серого чугуна (у автомобилей УАЗ, ГАЗ-53Ф, ГАЗ-53А и др. иногда отливается, из алюминиевого сплава).

Внутренняя рабочая поверхность цилиндра, называемая зеркалом цилиндра, тщательно шлифуется и полируется. При водяном охлаждении двигателя цилиндры снаружи окружены водяной рубашкой; в случае воздушного охлаждения цилиндры и головки имеют на наружной поверхности охлаждающие ребра. Для увеличения жесткости блока плоскость крепления поддона в большинстве конструкций смещена книзу по отношению к оси коленчатого вала, а в плоскости коренных опор делаются ребра жесткости.

На рис.7 показан блок цилиндров карбюраторного восьмицилиндрового V-образного двигателя ЗИЛ-130. Блоки цилиндров V-образных двигателей в изготовлении более сложны, однако они обладают рядом преимуществ по сравнению с блоками рядных линейных двигателей. Такие блоки более жестки, отчего не подвергаются значительным деформациям, влияющим на износ деталей; двигатели с V-образными блоками короче и легче рядных двигателей (при одинаковой мощности), что дает возможность уменьшить базу автомобиля и его общий вес.

Рис. 9. Блоки цилиндров: а — блок-картер дизеля СМД-14:

1 — фланец для крепления масляного фильтра; 2— фланец для крепления маслозаливной горловины; 3 — блок-картер; 4 — маслопровод; 5 — передняя опора кулачкового вала; 6 — фланец для крепления водяного насоса; 7 — посадочные отверстия гильз цилиндров; б — блок цилиндров двигателя ЗИЛ-130: ) 1— блок цилиндров; 2 — подшипник коленчатого вала; 3 — подшипник кулачкового вала; 4—гильза цилиндра; 5 – посадочный поясок гильзы.

 

Рис. 9. Цилиндр и головка с воздушным охлаждением;

1 — цилиндр; 2 — головка; 3 — охлаждающие ребра.

На тракторных двигателях наибольшее распространение получили рядные, четырехцилиндровые блоки со вставными гильзами. Такая конструкция блока упрощает ремонт двигателя, так как при повреждении одной или нескольких гильз они легко могут быть заменены.

Рис. 10. Гильзы цилиндров:

а — тракторная: 1 — верхний буртик; 2 и 3 — центрирующие пояски; 4—канавки для резиновых колец; 5 — прокладка под верхний буртик гильзы; 6 — уплотнительные резиновые кольца; б — автомобильная ЗИЛ-130): 1 — гильза цилиндра, 2 — антикоррозионная вставка из нирезиста.

Гильзы бывают «мокрые»,наружные стенки которых охлаждаются водой, или «сухие», которые устанавливаются в предварительно расточенные цилиндры блока. Сухие гильзы запрессовывают в блок либо по всей длине цилиндра (ЯАЗ-204), либо только в верхнюю его часть, соответствующую перемещению колец, где износ цилиндра наибольший (двигатели ГАЗ, ЗИЛ). Блок цилиндров с сухими гильзами имеет меньший вес и большую жесткость по сравнению с блоком, имеющим мокрые гильзы. Гильзы изготовляются из легированного   аустенитового чугуна и реже из стали; толщина стенок сухих гильз 2- 4 мм, мокрых 6- 8 мм.

Герметичность установки мокрой гильзы достигается тщательной обработкой центрирующих поясов и применением прокладок под верхний буртик гильзы. В нижней части, где температура не превышает 373°К (100°С), между гильзой и специальной выточкой в стенке блока устанавливают резиновые уплотняющие кольца.

Рис.10. Установка гильз в блоке цилиндров:  

1 — гильза; 2 — блок цилиндров; а — мокрая гильза:  
б— сухая гильза: 1 — гильза; 2 — блок цилиндров.