Московский Автомобильно-дорожный институт (Государственный технический университет)
Двигатели внутреннего сгорания
Студент: Лазарев Р.
Преподаватель: Вахламов В.К.
Группа: 2Ап3
Москва 2010
Двигатель
Бензиновые и дизельные двигатели, их отличительные особенности. Какие из них имеют большее распространение на легковых автомобилях?
Двигатели бывают разные, их отличительные особенности заключаются в их строении, а так же классификации.
- Кол-во тактов (2-4)
- Типы смесеобразования (инжекторные и карбюраторные)
- Расположение цилиндров ( V , W, рядные ,оппозитные )
- Способ охлаждения (жидкостное, воздушное)
- По типу смазки - смешанный тип (масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип(масло находится в картере)
- Число цилиндров (1-16) * на легковых АМ и джипах, есть и больше
Главной отличительной особенность бензиновых двигателей является их мощность, а дизельных – их высокая экономичность и экологичность.
Различие бензиновых и дизелей состоит в способе смесеобразования и сгорания топлива. В бензиновых топливно-воздушную смесь поджигает свеча, в дизеле – давление ( оно же сжатие ). Так же по типу смесеобразования различают карбюраторные и инжекторные двигатели (в первом случае т-в смесь формируется в спец. устройстве – карбюраторе.)
Современные автомобили оснащены больше бензиновыми двигателями, нежели дизельными. А так же инжекторные, а не карбюраторные Распространенное кол-во цилиндров: 4 – рядные ; 6-8 V- образные.
Рабочий процесс двигателя
Рабочий процесс двигателей на современных машинах обычно имеет 4 такта
Впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
При такте впуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан закрыт. Под действием вакуума, создаваемого при движении поршня, в цилиндр поступает горючая смесь через выпускной клапан, открытый распределительным валом. Горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами, образуя при этом рабочую смесь.
Такт сжатия происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем рабочей смеси уменьшается, а давление в цилиндре повышается, что сопровождается увеличением температуры рабочей смеси.
При такте рабочего хода впускной и выпускной клапаны закрыты. Воспламененная в конце сжатия от свечи зажигания рабочая смесь быстро сгорает. Температура и давление образовавшихся газов в цилиндре возрастают. Газы давят на поршень, он движется от ВМТ до НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 2 коленчатый вал. По мере перемещения поршня к НМТ и увеличения объема пространства над ним давление в цилиндре уменьшается. Снижается и температура газов.
Такт впуска происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан, открытый распределительным валом. Давление и температура в цилиндре уменьшаются.
Основные параметры двигателя
Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня. В этой точке поршень наиболее удален от оси коленчатого вала.
Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня. Поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала.
Угол опережения зажигания — угол поворота кривошипа от момента, при котором на свечу зажигания начинает подаваться напряжение для пробоя искрового промежутка до занятия поршнем ВМТ
Расход топлива - Gт
Ход поршня (S) – расстояние между мертвыми точками, проходимое поршнем в течение одного такта рабочего цикла двигателя.
Такт – часть рабочего цикла двигателя, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.
Рабочий объем цилиндра (Vh
) – объем, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ.
Объем камеры сгорания (Vc
) – объем пространства над поршнем, находящимся в ВМТ.
Полный объем цилиндра (Va
) – объем пространства над поршнем, находящимся в НМТ.
Рабочий объем (литраж) двигателя – сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах.
Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Что определяет внешняя скоростная характеристика двигателя?
Внешняя скоростная характеристика определяет возможности двигателя и характеризует его работу. По внешней скоростной характеристике определяют техническое состояние двигателя. Она позволяет сравнивать различные типы двигателей и судить о совершенстве новых двигателей.
Почему мощность и момент двигателя на автомобиле меньше указанных в технических характеристиках, каталогах, проспектах и т.п.?
Испытания автомобилей проводятся на спец стендах, где их ставят на площадку с подвижными валами. Отсутствует фактически сопротивление. Тестируется только двигатель. В конечном счете Автомобиль “подгоняют” под нормы выбросов, звука, давления воздуха, условиям эксплуатации, потому, после подгона, автомобиль не может развить стендовой мощности.
Перечислить основные части бензинного двигателя и дизеля и их назначение.
Двигатель можно рассортировать на 2 механизма и 4 системы.
Кривошипно-шатунный механизм
Газораспределительный механизм
Система питания
Система охлаждения
Система зажигания
Система смазки
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно – поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.
Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали:
- подвижные: поршень с кольцами, поршневой палец, шатун, головка цилиндра, коленчатый вал, маховик.
- неподвижные: блок цилиндров (является остовом двигателя внутреннего сгорания), головка блока, поддон, гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.
Принцип действия
Прямая схема: Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал состоит из:
- шатунные шейки
- коренные шейки
- противовес
Кривошипно-шатунный гидравлический поворотный механизм
Обратная схема: Коленчатый вал под действием приложенного внешнего крутящего момента совершает вращательное движение, которое через кинематическую цепь «вал-шатун-поршень» преобразовывается в поступательное движение поршня.
Газораспределительный механизм (ГРМ)
(ГРМ) — механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Осуществляется путём перекрытия и открытия поршнямипродувочных оконцилиндров в двухтактных двигателях, либо открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (в четырехтактных двигателях), имеющих привод от распределительного вала (распредвала) и кулачкового механизма. Распредвал имеет жёсткую синхронизацию вращения с каленвалом, реализованную с помощью шестерёнчатой, зубчато-ремённой или цепной передачи.
Как правило, на высокофорсированных двигателях обрыв или проскальзывание ремня или цепи ГРМ приводит к выходу двигателя из строя по причине удара поршней о не вовремя открытые клапана.
Регулирование ГРМ крайне необходимо для работы двигателя. При неправильном его регулировании, зубья шестерней просто сточатся, либо двигатель вообще не заведется.
Фазы газораспределения
Продолжительность открытия впускных и выпускных клапанов, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называется фазами газораспределения.
Наивысшие мощностные показатели работы двигателя могут быть достигнуты при наилучшем наполнении цилиндров горючей смесью и наиболее полной их очистке от отработавших газов. Поэтому продолжительность фаз впуска и выпуска установлена более 180о
за счет того, что моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положениями поршня в верхней и нижней мертвых точках.
В конце такта выпуска и в начале такта впуска происходит перекрытие клапанов, когда оба клапана открыты одновременно . Продолжительность перекрытия клапанов составляет для двигателя 20 и 50о
. Перекрытие клапанов длится небольшой промежуток времени и не оказывает влияния на работу двигателя.
Системы
Смазочная система
Смазочная система двигателя за счет подачи масла к трущимся поверхностям обеспечивает:
- -уменьшение трения и повышение механического КПД двигателя;
- -уменьшение износа трущихся деталей;
- -охлаждение деталей двигателя и вынос продуктов износа из сопряжений деталей двигателя.
В смазочную систему входят:
- -масляный насос;
- -приемный патрубок с малой фильтрующей сеткой, прикрепленный к корпусу насоса;
- -полнопоточный масляный фильтр, установленный на левой передней стороне двигателя;
- -редукционный клапан давления масла, встроенный в приемный патрубок;
- -электрический датчик недостаточного давления масла.
Смазывание трущихся деталей наряду с подбором материалов и вида обработки их поверхностей эффективно повышает долговечность двигателя. Смазочная система также обеспечивает очистку циркулирующего масла от механических и других вредных примесей при прохождении его через масляный фильтр с бумажным фильтрующим элементом.
Масло для двигателя имеет комплекс присадок, обеспечивающих высокие смазочные свойства масла, стойкость против окисления и возможность работы в широком интервале температур.
Необходимый для нормальной работы двигателя запас масла находится непосредственно в картере двигателя. Заправку масла в картер двигателя производят через маслоналивную горловину, герметически закрываемую крышкой. Отработанное масло сливают из системы через отверстие, закрытое резьбовой пробкой. Емкость масляной системы 3,75 л.
Уровень масла контролируется по меткам на указателе. Давление масла на прогретом двигателе при средних оборотах составляет 0,35-0,45 МПа (3,5-4,5 кгс/см2
)
Принцип работы
Масло заливают в поддон через горловину и его количество контролирует специальным стержнем, конец которого находится в масляной ванне. При работе двигателя масло забирается из поддона насосом через маслоприемник и по приемному каналу в блоке цилиндров подается фильтр, который включен в главную масляную магистраль последовательно. Из фильтра масло через главную магистраль и канал в блоке цилиндров под давление поступает соответственно к коренным подшипникам коленчатого вала и переднему подшипнику вала привода масляного насоса, а также к заднему подшипнику по центральному каналу вала.
Автомобили выделяют в окружающую среду много ядовитых веществ.
Вентиляция картера двигателя и ее тип существенно влияют на количество выделяемых в окружающую среду токсичных веществ.
Вентиляция картера двигателя предназначена для удаления картерных газов, которые разжижают масло и образуют смолистые вещества и кислоты. Кроме того, картерные газы повышают давление в картере двигателя и вызывают утечку масла через уплотнения. На легковых автомобилях система вентиляции картера двигателя закрытого типа. Она обеспечивает за свет вакуума во впускном трубопроводе принудительное удаление картерных газов в цилиндры двигателя на догорание.
В результате предотвращается попадание картерных газов в салон кузова автомобиля и уменьшается выброс ядовитых веществ в окружающую среду.
Система охлаждения
При сгорании рабочей смеси в цилиндрах двигателя температура газов достигает 2500о
С. Это вызывает сильный нагрев деталей и может привести к:
1. заклиниванию поршней в цилиндре
2. обгоранию головок клапанов
3. выгоранию смазки
4. выплавлению вкладышей подшипников
5. потере мощности двигателя.
Для предупреждения этого в двигателе необходимо поддерживать определенный тепловой режим, что обеспечивается системой охлаждения.
Система охлаждения может быть воздушной, когда охлаждение двигателя достигается набегающим потоком воздуха, и жидкостной с элементами воздушной (комплексной).
Температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 80о
С-90о
С на всех режимах работающего двигателя.
При воздушном охлаждении тепловой режим двигателя определяется температурой масла в системе смазки - 90о
С-120о
С.
На рассматриваемых автомобилях система охлаждения жидкостная, закрытая, с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Заполняется система охлаждения раствором Тосол А-40, который при температуре ниже -40о
С превращается в густую массу.
Система охлаждения двигателя включает в себя:
1. Рубашку охлаждения блока и головки цилиндров.
2. Радиатор с заливной горловиной
3. Расширительный бачок
4. Термостат
5. Соединительные патрубки и шланги
6. Сливные пробки (краники)
7. Водяной насос центробежного типа
8. Вентилятор
9. Датчик и указатель температуры охлаждающей жидкости.
Оптимальным температурным режимом двигателя при жидкостной системе охлаждения считается такой, при котором температура охлаждающей жидкости в двигателе составляет 80…100 С на всех режимах работы двигателя.
Принцип работы системы охлаждения:
Центробежный насос приводится во вращение от шкива коленчатого вала через ременную передачу всегда, когда работает двигатель. Захватывает жидкость из нижней части радиатора и нагнетает ее в рубашку охлаждения головки блока и блока цилиндров.
Термостат служит для ускорения прогрева двигателя после его пуска и автоматического поддержания теплового режима при движении.
Устанавливается перед входом охлаждающей жидкости в насос. Двухклапанный, неразборный. Внутри корпуса помещен термоэлемент. Термочувствительный элемент состоит из стакана с резиновой вставкой, а между стенками стакана помещается твердый наполнитель ЦЕРЕЗИН (кристаллический воск), обладающий большим коэффициентом объемного расширения.
При температуре менее 80о
С термоэлемент находится в нижнем положении и клапан закрыт. Вода циркулирует по малому кругу (только в рубашке охлаждения). Двигатель быстро прогревается и при 80о
-90о
С, элемент расширяется и открывает давлением клапан, и вся жидкость проходит через радиатор по большому кругу.
Полностью клапан открывается при температуре 95о
С. Набегающим потоком воздуха при движении автомобиля жидкость, проходящая по тонким трубочкам радиатора, охлаждается и опускается в его нижнюю часть, откуда захватывается насосом. Когда автомобиль стоит с работающим двигателем или движется с малой скоростью, основную роль в охлаждении играет вентилятор. Он затягивает воздух извне через радиатор, а своей реактивной струей дополнительно охлаждает двигатель.
Кроме того, на автомобилях без кондиционера система используется для обогрева салона автомобиля. Для этого от рубашки охлаждения отводится с помощью трубочек горячая жидкость к расположенному в салоне специальному радиатору отопителя. Для регулирования потока жидкости используется специальный кран отопителя, а воздух через этот радиатор циркулирует по салону с помощью специального возле радиатора расположенного вентилятора, либо извне, через воздухозаборник.
Меры предосторожности при обращении с антифризами
Не допускайте попадания антифриза на открытые участки тела и окрашенные поверхности автомобиля. Случайно попавшие брызги без промедления смывайте обильным количеством воды. Помните, что антифриз является в высшей степени токсичной жидкостью и попадание его внутрь организма даже в небольших количествах чревато самыми серьезными последствиями (вплоть до летального исхода). Никогда не оставляйте антифриз хранящимся в неплотно закрытой таре и без промедления собирайте пролитую на пол охлаждающую жидкость. Помните, что сладковатый запах антифриза может привлечь к себе внимание детей и животных. О способах утилизациях отработанной охлаждающей жидкости проконсультируйтесь на любой станции автосервиса. Во многих регионах мира обустроены специальные пункты по приему различного рода отработок. Ни в коем случае не сливайте старую охлаждающую жидкость в канализацию и на землю!
Система питания
Система питания двигателя предназначена для хранения, очистки и подачи топлива, очистки воздуха, приготовления горючей смеси и подачи ее в цилиндры двигателя. На различных режимах работы двигателя количество и качество горючей смеси должно быть различным, и это тоже обеспечивается системой питания.
Система питания
состоит из:
- топливного бака,
- топливопроводов,
- фильтров очистки топлива,
- топливного насоса,
- воздушного фильтра,
- карбюратора.
Система питания воздухом
Система питания воздухом функционирует следующим образом. Воздух в двигатель засасывается через воздушный фильтр, датчик массового расхода воздуха и одноканальное дроссельное устройство, величина открытия которого зависит от усилия нажатия на педаль привода дроссельной заслонки. В задроссельном пространстве воздушная масса разделяется трубами ресивера и уплотняется в цилиндрах двигателя за счет эффекта инерционного наддува. На режимах пуска, прогрева и холостого хода двигателя подача воздуха осуществляется через регулируемый блоком управления обходной канал регулятора дополнительного воздуха, выполненный в обход дроссельной заслонки.
Система питания двигателя топливом
Система питания двигателя топливом функционирует следующим образом. Забор топлива производится работающим электробензонасосом из левого бака через фильтр-отстойник. Далее топливо поступает через фильтр тонкой очистки в топливную рампу, относительное давление в которой поддерживается регулятором давления на уровне
300 кПа. Повышенное давление топлива исключает появление пузырьков воздуха и паров бензина в топливопроводе, которые мешают нормальной работе форсунок. Форсунки, представляющие собой быстродействующие электромагнитные клапаны (нормально закрыты), открываются и впрыскивают топливо во впускную трубу двигателя.
Открытие-закрытие форсунок осуществляется автоматически по циклограмме работы соответствующих выходных каналов блока управления. Форсунки впрыскивают топливо на горячие закрытые впускные клапаны цилиндров двигателя, что улучшает качество топливовоздушной смеси. Длительность и фазу впрыска топлива блок управления устанавливает в зависимости от режима работы двигателя, частоты вращения коленчатого
вала и нагрузки. Избыток топлива в рампе сливается через отверстие регулятора давления и струйный насос в левый бак. Одновременно топливо посредством инжекции перетекает из правого бака через струйный насос в левый бак.
Топливо
Топливо для бензиновых двигателей – топливом является бензин различных марок: А-80, АИ-93, АИ-95, АИ-98. Буква «А» - означает автомобильный, буква «И» метод определения октанового числа бензина (исследовательский).
Топливо для дизелей – дизельное топливо имеет следующие основные марки: «Л» - летнее топливо, предназначены для работы двигателя при температуры окружающего воздуха больше 0 С; «З» – зимнее топливо, предназначено для работы дизеля при температуре от 0 до -30 С; «А» – арктическая, предназначена для работы дизеля при температуре окружающего воздуха ниже 30 С.
Топливо для газовых двигателей – топливом для газовых двигателей является сжатые и сжиженные газы. Сжатые газы – газы, которые при обычной температуре окружающего воздуха и высоком давлении (до 20 мПа) сохраняет газообразное состояние. Сжатые газы являются природными газами. В качестве топлива для газовых двигателей обычно используется природный газ «метан». Сжиженные газы – газы, которые переходят из газообразного состояния в жидкое при нормальной температуре воздуха и небольшом давление ( до 1,6мПа) это нефтяные газы.
Качество дизельного топлива оценивается цетановым числом, которое условно принято 100ед. Цетан –быстровоспламеняющееся топливо. Для дизельных топлив цетановое число должно быть в пределах 40…45ед.
Качество бензинового топлива оценивается октановым числом, характеризующие стойкость бензина против детонации. Чем выше октановое число, тем выше степень сжатия двигателя.
Какие режимы работы двигателя вам известны.
Двигатель автомобиля имеет следующие 5 режимов работы: пуск, холостой ход, средние нагрузки, резкий переход со средней нагрузки на полную и полная нагрузка.
В каждом режиме работы в цилиндры двигателя должна поступать горючая смесь в разном количестве и различного по составу качества. На всех указанных режимах работы двигателя простейший карбюратор не может обеспечить двигатель горючей смесью необходимого качества и требуемого количества.
Наддув
Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение - повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции. Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда воздуха в цилиндре "поместится" больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.
Виды наддува
В ДВС применяют три типа наддува:
- резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
- механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
- газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.
У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.
|
