Главная | Карта сайта | ДВС | Статьи

Двигатели внутреннего сгорания

Принцип действия двигателей
Двигателем внутреннего сгорания называется поршневой тепловой двигатель, в котором топливо сжигается непосредственно в рабочем цилиндре. Основные части двигателя те же, что и у паровой машины: цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный механизм. Однако устройство д. в. с. существенно отличается от устройства паровой машины. В последней рабочим телом является пар, вследствие чего она нуждается в котельной установке. В д. в. с. рабочим телом служат газообразные продукты, полученные от сгорания топлива непосредственно внутри цилиндра. Температура газов достигает при этом 1500—2000° С и выше, что вызывает значительные тепловые напряжения стенок цилиндра. Это, в свою очередь, требует более высокой технической культуры при производстве двигателей и их обслуживании.
Принцип действия двигателя таков. В цилиндр вводится горючая смесь из воздуха и парообразного или газообразного топлива (или раздельно воздух и позже мелко распыленное жидкое топливо); затем эта смесь сжимается поршнем и в конце сжатия воспламеняется. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания, имея высокую температуру, вызывают повышение давления в цилиндре. Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается, передавая движение на вал. После расширения продукты сгорания удаляются из цилиндра, который заполняется свежим зарядом. Затем все повторяется вновь. Последовательность указанных процессов и составляет в совокупности рабочий цикл д. в. с. Сжигание топлива непосредственно внутри рабочего цилиндра позволяет использовать значительный перепад между максимальной (в момент горения) и минимальной (в конце расширения) температурами газов, что приводит к высокой экономичности этого рода двигателей.

Классификация двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим основным признакам.
По роду топлива
Род топлива обусловливает тип и конструктивные особенности двигателя. Различают двигатели: а) газообразного топлива, б) жидкого топлива, в) газожидкостные.
Газовые двигатели работают на смеси с воздухом горючих газов (естественного, колошникового, генераторного). Двигатели жидкого топлива в зависимости от удельного веса применяемого топлива можно разделить на двигатели легкого топлива (бензин, лигроин, керосин и др.) и двигатели тяжелого топлива (моторное и дизельное топливо, соляровое масло и др.)* В газожидкостных двигателях применяют горючие газы, а в качестве запала — жидкое топливо.
По принципу осуществления газообмена (тактности)
Различают двигатели четырехтактные и двухтактные.
а) Четырехтактными называются такие двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала). Двигатели этого типа работают следующим образом.
Первый такт — всасывание совершается при открытом всасывающем клапане /, когда поршень 2 движется в направлении от верхней мертвой точки (в. м. т.) к нижней мертвой точке (н. м. т.). Вследствие образующегося при этом разрежения происходит всасывание воздуха или горючей смеси, состоящей из воздуха и топлива.
Для лучшего заполнения цилиндра всасывающий кланам открывается с некоторым опережением, т. е. не доходя до в. м. т. (точка А на диаграмме), и закрывается с запаздыванием — после н. м. т. Нижней мертвой точке соответствует точка а на диаграмме.
Второй такт — сжатие происходит при закрытых клапанах цилиндра, когда поршень движется в направлении от н. м. т. к в. м. т. При этом поршень сжимает воздух или горючую смесь до определенного давления, зависящего от типа двигателя (начало сжатия в точке В, конец — в точке С, линия сжатия ВС).
Если сжимается чистый воздух, то, незадолго до прихода поршня в в. м. т., в цилиндр впрыскивается распыленное жидкое топливо. При положении поршня в в. м. т. вся смесь будет сжата в пространстве, называемом пространством сжатия или камерой сгорания.
Воспламенение смеси происходит при подходе поршня кв. м. т. Воспламенение ее производится или искусственно (от искры, раскаленной детали), или вследствие воспламенения впрыскиваемого топлива от высокой температуры сжатого в цилиндре воздуха. Процесс воспламенения и горения сопровождается ростом температуры и давления газов.
Третий такт — рабочий ход. При этом такте происходит горение топлива (на диаграмме линия С2) и расширение продуктов сгорания (линия zb). Оба клапана закрыты. Под влиянием давления газов поршень движется от в. м. т. к и. м. т., при этом осуществляется преобразование теплоты в механическую работу.
Этот такт называется рабочим. Перед началом четвертого такта открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы начинают удаляться (точка Ь' на круговой диаграмме).
Четвертый такт — выталкивание продуктов сгорания происходит при ходе поршня н. м. т. к в. м. т., при этом выхлопной или, иначе, выпускной клапан <5 открыт. Вследствие сопротивления в выхлопной системе (клапаны, трубы и пр.) процесс выталкивания происходит при давлении, несколько превышающем атмосферное (линия ЬА). Для более полного освобождения цилиндра от продуктов сгорания выхлопной клапан закрывается за в. м. т. (точка А), и тем самым увеличивается период освобождения цилиндра от продуктов сгорания. Этим заканчивается полный цикл работы четырехтактного двигателя. Начинающийся новый цикл повторяется в той же последовательности. Так как за один оборот вала могут быть совершены только два такта, то весь рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется в два оборота коленчатого вала.
б) Двухтактными называются такие двигатели, рабочий цикл которых совершается в течение двух ходов поршня (за один оборот вала).
В четырехтактных двигателях только два такта являются необходимыми для производства работы: такт сжатия и такт расширения (рабочий ход). Остальные два такта, занятые перезарядкой цилиндра свежим воздухом или горючей смесью, являются вспомогательными; без них обойтись нельзя, но их можно заменить одним процессом, называемым продувкой цилиндра.
Продувка заключается в том, что в цилиндр вводится воздух с давлением выше атмосферного; воздух вытесняет продукты сгорания и заполняет цилиндр. Продувка начинается в конце рабочего хода и заканчивается в начале движения поршня вверх, после чего начинается процесс сжатия. Для осуществления продувки необходим продувочный насос.
На фиг. 66 дана схема работы двухтактного двигателя. Когда поршень приходит к в. м. т., происходит сгорание свежего заряда (на диаграмме фиг. 66, б — линия), а затем процесс расширения газов — рабочий ход.
При подходе поршня к н. м. т. он своей верхней кромкой открывает выпускные окна 1, и через выхлопной коллектор 2 отработавшие газы под действием избыточного давления выбрасываются из цилиндра в атмосферу. Давление в цилиндре падает вследствие уменьшения количества газов и продолжающегося увеличения объема цилиндра. При дальнейшем движении поршня открываются продувочные окна, сообщенные с продувочным насосом 4 (поддерживающим давление выше, чем в цилиндре), и продувочным воздухом продукты сгорания вытесняются через выпускные окна. Происходит процесс продувки цилиндра. Давление постепенно падает до величины промежуточного давления продувочного заряда и атмосферного давления. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов (рабочий ход) и в конце хода — процессы выпуска отработавших газов и продувки.
Второй такт соответствует ходу поршня от н. м. т. до в. м. т. В первый период этого хода продолжается процесс продувки до тех пор, пока поршень своим телом не закроет продувочных окон. При дальнейшем движении поршня продукты сгорания и часть свежего заряда выталкиваются из цилиндра до закрытия выпускных окон. В течение всего этого периода давление в цилиндре остается несколько выше атмосферного, затем начинается сжатие свежего заряда. Этот процесс заканчивается в в. м. т., и затем вновь начинается горение, расширение и повторение цикла. Таким образом, в течение второго такта происходят процессы окончания выпуска и продувки, заполнения цилиндра свежим зарядом и процесс сжатия.
Как это видно, весь цикл в двухтактных двигателях происходит га один оборот коленчатого вала.
Приведенная схема продувки не является единственной. В дальнейшем покажем, что у двухтактных двигателей имеются различные типы продувок.
По способу приготовления горючей смеси
Горючей смесью называется смесь горючих газов, паров (или мелких капелек) жидкого топлива с воздухом. Различают двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
В двигателях с внешним смесеобразованием горючая смесь образуется вне рабочего цилиндра. Типичными представителями этого рода двигателей являются карбюраторные двигатели (карбюратор — прибор для испарения легкого жидкого топлива в струе воздуха).
К этому же классу двигателей относятся газовые двигатели. В этих двигателях топливо подводится к органам смесеобразования (газосмесителям или смесительно-всасывающим клапанам) в газообразном состоянии.
В двигателях с внутренним смесеобразованием топливо и воздух подаются в цилиндр раздельно, а горючая смесь образуется внутри цилиндра. Эти двигатели можно, в свою очередь, разбить на два класса: двигатели с механическим распыливанием топлива, т. е. с впрыском топлива в цилиндр через топливный распыливающий клапан (форсунку) под давлением от топливного насоса , и с пневматическим впрыском жидкого топлива, т. е. с распыливанием его форсункой, с помощью сжатого до высокого давления воздуха от компрессора.
К первому классу относятся бес компрессорные дизели и калоризаторные двигатели. Ко второму, классу относятся компрессорные дизели.
По степени сжатия
Различают двигатели низкого и высокого сжатия. У первых степень сжатия е = 4-ИО (карбюраторные, калоризаторные, газовые двигатели); у вторых е = 11-^20 (в основном компрессорные и бескомпрессорные дизели).
По способу воспламенения рабочей смеси
Рабочей смесью называется смесь, образующаяся в цилиндре двигателя после смешения горючей смеси с продуктами сгорания, оставшимися от предыдущего цикла. Различают двигатели с принудительным зажиганием и с воспламенением от сжатия.
Принудительное зажигание осуществляется электрической искрой (в карбюраторных и газовых двигателях) или накаленным телом — калоризатором (калоризаторные двигатели). Воспламенение от сжатия осуществляется в двигателях с высокой степенью сжатия (дизелях). Необходимым условием воспламенения является достижение температуры воздуха в конце сжатия на 100—300° выше температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Характерной особенностью этих двигателей является всасывание чистого воздуха.

По характеру сгорания
Различают двигатели быстрого сгорания, работающие по циклу с подводом тепла при V — const, двигатели постепенного сгорания, работающие по циклу с подводом тепла при р — const, и двигатели смешанного сгорания, работающие по циклу с подводом тепла частично при V = const и частично при р = const.
По циклу быстрого сгорания работают карбюраторные, калори-заториые и газовые двигатели. По циклу постепенного сгорания работают компрессорные дизели; по циклу смешанного сгорания работают бескомпрессорные дизели.

По способу действия
Различают двигатели простого и двойного действия. У двигателей первого типа рабочий цикл совершается лишь в одной по/ости цилиндра' (с одной стороны поршня), а у второго типа — в двух полостях (с обеих сторон поршня) аналогично паровым машинам.
Как правило, двигатели простого действия выполняются тронкового типа: поршень здесь служит одновременно и ползуном, соединяясь непосредственно с шатуном.
Двигатели двойного действия и крейцкопфные выпускаются в настоящее время только при особо больших мощностях (превышающих 500 л. с. в каждом цилиндре).
По способу заполнения рабочего цилиндра свежим зарядом
Различают двигатели без наддува и с наддувом. В двигателях без наддува всасывание воздуха или горючей смеси осуществляется за счет создаваемого при всасывающем ходе поршня разрежения в цилиндре. В двигателях с наддувом подача воздуха или горючей смеси происходит под давлением, создаваемым нагнетателем с целью увеличения количества свежего заряда и получения за этот счет повышенной мощности.
По числу и расположению цилиндров
Различают двигатели одноцилиндровые и многоцилиндровые; вертикальные, горизонтальные,. V-образные и пр.
По быстроходности
Степень быстроходности двигателей определяется по средней скорости поршня:

Различают двигатели:
тихоходные, у которых ..............................ст < 6 м/сек;
средней быстроходности . ..............6 < ст < 9 м/сек;
быстроходные....................9<ст<13 м/сек;
сверхбыстроходные ...............................с,„>13 мГсек.
По назначению
Различают двигатели стационарные и транспортные. В зависимости от назначения к двигателям могут быть предъявлены особые требования (например, реверсивность, быстроходность и т. д.);
Все имеющиеся в настоящее время двигатели в основном могут быть разделены на следующие группы:
а)            Карбюраторные двигатели — низкого сжатия, легкого жидкого топлива, с внешним смесеобразованием, с электрическим зажиганием, быстрого сгорания, чаще четырехтактные.
б)           Калоризаторные двигатели (нефтянки) — низкого сжатия, тяжёлого жидкого топлива, с внутренним смесеобразованием, с калоризаториым зажиганием, быстрого сгорания, обычно двухтактные.
в)            Компрессорные дизели — высокого сжатия, тяжелого жидкого топлива, с внутренним смесеобразованием, с воспламенением от сжатия, постепенного сгорания, четырехтактные.
г)            Газовые двигатели — низкого сжатия, с внешним смесеобразованием, с электрическим зажиганием, быстрого сгорания, четырехтактные.
д)           Газожидкостные двигатели (газодизели) — высокого сжатия, с воспламенением от сжатия, смешанного сгорания, четырехтактные или двухтактные.
е)           Бескомпрессорные дизели — высокого сжатия, тяжелого жидкого топлива, с внутренним смесеобразованием, с воспламенением от сжатия, смешанного сгорания, четырехтактные и двухтактные.
Современные стационарные установки с двигателями внутреннего сгорания оборудуются преимущественно бескомпрессорными дизелями различных мощностей. В СССР производство дизелей стандартизовано. Согласно ГОСТ 4393-48 предусматривается специальная маркировка дизелей, каждому типу дизеля присваивается условное обозначение, состоящее из сочетания букв и цифр.
Буквы обозначают: Ч — четырехтактный, Д — двухтактный, ДД — двухтактный двойного действия, Р — реверсивный, С — судовой с реверсивной муфтой, П — с редукторной передачей, К — крейцкопфный (двигатель с ползуном), Н — с наддувом.
Отсутствие в условном обозначении буквы К означает, что двигатель тронковый, отсутствие буквы Р показывает, что двигатель нереверсивный. Цифра впереди букв обозначает число цилиндров. Дробное обозначение: числитель — диаметр цилиндра в см, знаменатель — ход поршня в см.
Примеры условных обозначений: дизель 64 шестицилиндровый, четырехтактный, тронковый, нереверсивный, с диаметром цилиндра 23 см и ходом поршня 30см; дизель 4Д четырехцилиндровый, двухтактный, тронковый, нереверсивный с диаметром цилиндра 19 см и ходом поршня 30 см.