Лекции по двигателям

Карбюраторные и дизельные двигатели

В данном разделе  речь пойдет о карбюраторных и  дизельных двигателях, работающих на жидком топливе.

Для работы карбюраторных  двигателей необходим бензин, для  работы дизельных – дизельное  топливо. КПД этих двигателей составляет 20%.

Рассмотрим подробнее  устройство каждого из двигателей.

Карбюраторные поршневые двигатели.

К составляющим карбюраторного поршневого двигателя  относятся:

• кривошипно-шатунный механизм,
• газораспределительный механизм,
• система питания,
• система выпуска отработавших газов,
• система зажигания,
• система охлаждения,
• система смазки.

А теперь рассмотрим принцип работы на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Его устройство представлено на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 Одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания:а) «стакан» в «стакане»; б) поперечный разрез1 — головка цилиндра; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — поршневые кольца; 5 — поршневой палец; 6 — шатун; 7 — коленчатый вал; 8 — маховик; 9 — кривошип; 10 — распределительный вал; 11 — кулачок распределительного вала; 12 — рычаг; 13 — клапан; 14 — свеча зажигания

В цилиндре (2) со съемной головкой (1) находится поршень (3), в специальные канавки справа и слева помещены поршневые кольца (4). Кольца скользят по поверхности  цилиндра, не давая образующимся газам вырваться вниз и препятствуя попаданию наверх масла.

Поршневой палец (5) и шатун (6) соединяют поршень  с кривошипом коленчатого вала (9). Он вращается в подшипниках, которые  расположены в картере двигателя. На конце коленчатого вала (7) укреплен маховик (8).

Когда кулачки  распределительного вала (11) находят  на рычаги (12), клапаны (13) открываются. При этом, через впускной клапан проходит горючая смесь (бензин и  воздух), а через выпускной выходят  отработанные газы. Закрываются клапаны под воздействием пружин, когда кулачки сбегают с рычагов. В движении коленчатый вал и кулачки приводятся с помощью коленчатого вала.

Свеча зажигания (14) расположена в резьбовом отверстии  головки цилиндра (1). Между ее электродами  проскакивает искра и воспламеняет горючую смесь (см. выше).

Вот основные принципы работы одноцилиндрового карбюраторного двигателя.Также существуют показатели, которые используются для оценки двигателей (рисунок 1.2).

Рис. 1.2 Ход поршня и объемы цилиндра двигателяа) поршень в нижней мертвой точкеб) поршень в верхней мертвой точке

ВМТ и НМТ  – верхняя и нижняя «мертвая»  точка, соответственно. Эти показатели характеризуют положение поршня, при котором он удален от оси коленчатого  вала.S – ход поршня. Путь от одной  «мертвой» точки до другой.Vс — объемом камеры сгорания. Это объем над поршнем, когда он находится в ВМТ.Vр — рабочий объем цилиндра. Тот объем, который освобождает поршень, перемещаясь от верхней «мертвой» точке к нижней.Vп – полный объем цилиндра. Показатель, который исчисляется суммированием объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.При сложении рабочих объемов всех цилиндров мы получаем рабочий объем двигателя. Мы рассмотрели работу двигателя с одним цилиндром, но современные машиностроительные заводы выпускают двигатели с количеством цилиндров 4, 6, 8, 12.

Рабочий цикл четырехтактного  карбюраторного двигателя

Чтобы заставить  вращаться ведущие колеса автомобиля двигатель должен пройти так называемый рабочий цикл. Двигатель автомобиля совершает этот цикл за четыре такта (схема представлена на рисунке 1.3):

• впуск горючей смеси,
• сжатие рабочей смеси,
• рабочий ход,
• выпуск отработавших газов.

Рис. 1.3 Рабочий цикл четырехтактного  карбюраторного двигателя а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

Первый такт – впуск горючей смеси (рис. 1.3а). Клапан открывается, горючая смесь заполняет цилиндр, смешивается с остатками газов и превращается в рабочую смесь.

Второй такт — сжатие рабочей смеси (рис. 1.3б). Клапаны закрыты, следовательно, рабочая смесь сжимается, температура газов повышается. Если оценить это в цифрах, то мы получим следующие величины: давлении в цилиндре составит 9-10 кг/см2, температура газов – 400оС.

Третий такт — рабочий ход (рис. 1.3в). На этом этапе сгорает рабочая смесь, в результате происходит выделение энергии, которая превращается в механическую работу. Расширяющиеся газы создают давление на поршень, далее через шатун и кривошип на коленчатый вал. Под силой давления коленчатый вал и ведущие колеса автомобиля начинают вращаться.

Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 1.3г). Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ, при этом открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят из цилиндра.

Мы рассмотрели  четыре такта работы двигателя. Только в ходе третьего такта (рабочего хода) совершается полезная механическая работа. А первый, второй и четвертый – это подготовительные процессы. Этим процессам способствует кинестетическая энергия маховика (рисунок 1.4), который вращается по инерции

Рис. 1.4 Коленчатый вал двигателя  с маховиком1 — коленчатый вал двигателя; 2 — маховик с зубчатым венцом; 3 — шатунная шейка; 4 — коренная (опорная) шейка; 5 — противовес

Металлический диск, закрепленный на коленчатом валу, и называется маховик. Во время третьего такта, коленчатый вал, раскрученный поршнем через шатун и кривошип, передает запас инерции маховику. В свою очередь, под действием энергии, отдаваемой маховиком, поршень движется вверх (выпуск и сжатие) и вниз (впуск). Т.е. подготовительные такты в обратном порядке осуществляются только за счет запасов инерции в массе маховика через коленчатый вал, шатун и поршень.

Теперь перейдем к рассмотрению дизельных двигателей.

Дизельные двигатели

Главным отличием дизельных двигателей от карбюраторных  является отсутствие свечей и системы  зажигания. Это связано с высоким давлением, под которым подается топливо непосредственно в цилиндр при помощи форсунки, и высокой температурой. Поэтому топливо воспламеняется само. Таким образом система зажигания не нужна..

Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насос-форсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей в несколько раз больше, чем у карбюраторных. И так как давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень высоки, то происходит самовоспламенение топлива. А это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания.

Рабочий цикл четырехтактного  дизельного двигателя

Первый такт – впуск. Цилиндр двигателя наполняется  через впускной клапан воздухом.

Второй такт – сжатие. Здесь идет подготовка к воспламенению топлива. Поршень при движении от ВМТ к НМТ сжимает воздух, давление над поршнем становится равным 40 кг/см2, температура – более 500оС.

Третий такт — рабочий ход. Дизельное топливо через форсунку под давлением поступает в камеру сгорания, где и происходит его воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха. Во время третьего такта давление в цилиндре 100 кг/см2, а температура свыше 2000оС.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов, Поршень  от НМТ совершает движение к ВМТ, выпускной клапан открывается, отработанные газы выходят из цилиндра.

Размеры, масса  и стоимость дизельного двигателя  значительно больше бензинового  за счет высоких нагрузок на рабочие  механизмы. Но есть неоспоримый плюс таких двигателей:

• меньший расход топлива;
• за счет отсутствие системы зажигания снижается вероятность лишних поломок.

В дизельном  двигателе, нагрузки на все механизмы  и детали значительно больше, чем  в карбюраторном бензиновом, и  это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества — меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.

Кривошипно-шатунный механизм

Одной из его  составляющих одноцилиндрового двигателя  является кривошипно-шатунный механизм. Он необходим для того, чтобы происходило  преобразование возвратно-поступательного  движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала.

Рассмотрим устройство этого механизма подробнее на примере четырехцилиндрового двигателя автомобиля ВАЗ 2106 (рисунок 2.1).

Рис. 2.1 Общий  вид четырехцилиндрового двигателя  на примере автомобиля ВАЗ 2106а) продольный разрез; б) поперечный разрез1 — блок цилиндров; 2 — головка блока цилиндров; 3 — поддон картера двигателя; 4 — поршни с кольцами и пальцами; 5 — шатуны; 6 — коленчатый вал; 7 — маховик; 8 — распределительный вал; 9 — рычаги; 10 — впускные клапаны; 11 — выпускные клапаны; 12 — пружины клапанов; 13 — впускные и выпускные каналы

Деталями кривошипно-шатунного  механизма являются:

• блок цилиндров с картером,
• головка блока цилиндров,
• поддон картера двигателя,
• поршни с кольцами и пальцами,
• шатуны,
• коленчатый вал,
• маховик.

Блок цилиндров (1) – это основа двигателя. В нем расположено множество литых каналов, сверлений, заглушек, подшипников. Блок цилиндров объединяет все цилиндры, а также шатунно-поршневую систему. Здесь происходит вращение коленчатого вала. По внутренней системе блоков проходят масляные каналы системы смазки двигателя, и циркулирует жидкость системы охлаждения. Навесное оборудование (большая часть) также крепится на блоке цилиндров. У нижней части блока имеется свое название – картер.

Далее по схеме — головка блока цилиндров (2), которая крепится непосредственно к самому блоку цилиндров. Головка является местом расположения свечей, клапанов и камеры сгорания. Здесь же происходит вращение распределительного вала с кулачками. В головке блока, в свою очередь, тоже имеются полости, водяные и масляные каналы.

Что касается шатунно-поршневой  группы, то принцип ее работы был  рассмотрен в первой части, так что  не будем останавливаться на этом еще раз.Как и любой другой механизм кривошипно-шатунный в процессе эксплуатации имеет свойство ломаться. Любая неисправность имеет свою причину. Приведем примеры:

• Стук в двигателе. Причина: износ шатунных и коленных подшипников, поршневых пальцев. Устранение неполадок: замена изношенных деталей.
• Падение давления в конце такта сжатия и (или) повышенная задымленность от выхлопных газов. Причина: залегание поршневых колец в канавках поршней, износ поршней, поршневых колец, цилиндров. Устранение неполадок: замена изношенных деталей.

Для того, чтобы  устранить вероятность возникновения  неисправностей двигателя, необходимо производить профилактические действия в ходе эксплуатации автомобиля. А именно: своевременно менять масло, фильтры и др. и не пренебрегать рекомендациями, которые дает завод-изготовитель.

Существуют причины, в результате которых рабочий  ресурс двигателя может уменьшиться.

Во-первых, это  перегрузка. Не нагружайте багажник автомобиля или салон «под завязку», иначе  срок эксплуатации двигателя может  сократиться.

Во-вторых, двигаясь на максимальной скорости, которую  только может развить автомобиль, вы также способствуете сокращению срока службы двигателя. Одно дело проехать со скоростью 150 км/ч пару километров подряд, другое – десятки.

В-третьих, чистота  двигателя. Двигатель необходимо регулярно (хотя бы 2 раза в год) мыть специальными средствами, заправлять автомобиль качественным бензином и маслом, вовремя менять фильтры.