Общие сведения о двигателях внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания процесс горения топлива происходит внутри рабочего цилиндра. Механическая работа получается в результате воздействия давления газообразных продуктов сгорания на поршень, поступательно-возвратное движение, которого с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

В 1860 г. Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания двойного действия с использованием светильного газа. Однако по экономичности этот двигатель мало отличался от паровой машины В 1878 г. Отто сконструировал газовый двигатель, в котором горючая смесь перед воспламенением предварительно сжималась, что значительно повысило экономичность двигателя.

Первый в мире двигатель внутреннего сгорания для работы на жидком топливе был предложен капитаном русского флота И. С. Костовичем и построен в России в 1879 г.

В 1893 г. Дизелем был создан двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Первые двигатели Дизеля был сложны из-за наличия особого компрессора высокого давления, необходимого для распыления топлива.

В 1901 г. русский инженер Г. В. Тринклер построил двигатель с самовоспламенением от сжатия, но без компрессора В основу работы двигателя Тринклера положен цикл со смешанным подводом теплоты Все современные двигатели с воспламенением от сжатия бескомпрессорные.

Развитию и совершенствованию двигателей внутреннего сгорания в значительной степени способствовали работы отечественных ученых В. И. Гриневецкого, Е. К. Мазинга, H. P. Бриллинга и др. Советские ученые внесли большой вклад в создание быстроходных двигателей внутреннего сгорания.

Высокая экономичность, «малая масса и компактность», быстрый запуск сделали этот тип теплового двигателя незаменимым до настоящего времени во многих областях техники, К двигателям внутреннего сгорания относят тепловые двигатели, в которых все рабочие процессы (сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу) протекают внутри рабочего цилиндра двигателя. Рабочим телом этих двигателей являются продукты сгорания топлива Крайнее положение поршня, при котором расстояние его до оси коленчатого вала достигает максимума или минимума называют соответственно внутренней (верхней) мертвой точкой (ВМТ) и наружной (нижней) мертвой точкой (НМТ). При этих положениях скорость поршня равна нулю, а сила, действующая на поршень, не создает на валукрутящего момента Расстояние по оси цилиндра между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

В двигателе внутреннего сгорания в определенной последовательности происходят процессы наполнения цилиндра свежим воздухом и его освобождения от продуктов сгорания, а также процессы сжатия, горения и расширения. Указанные процессы образуют рабочий цикл двигателя. Часть рабочего цикла, происходящего в течение одного хода поршня, называется тактом.

Если рабочий цикл в цилиндре совершается за четыре такта, т. е. за два оборота коленчатого вала, то такие двигатели называют четырехтактными.

На рис 1 показана схема работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

В цилиндре двигателя расположен поршень. Шатун соединен с помощью поршневого пальца с поршнем с одной стороны и через кривошип с валом двигателя с другой стороны Эти детали двигателя образуют кривошипно-шатунный механизм. Цилиндр двигателя закрыт крышкой, в которой размещается форсунка. В верхней части цилиндра находятся впускной клапан и выпускной. Топливо в цилиндр подается с помощью установленной на двигателе топливной аппаратуры, включающей в себя топливный насос и форсунку.

На рис. 1 (положение I) отмечены два крайних положения поршня, которые называют мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) соответствует крайнему верхнему положению поршня, при котором расстояние его от оси вала максимальное. Нижняя мертвая точка (НМТ) соответствует крайнему нижнему положению поршня при котором расстояние его от оси вала минимальное. Для двигателей, цилиндры которых расположены горизонтально, крайние положения поршня соответственно называют левой мертвой точкой (ЛМТ) и правой мертвой точкой (ПМТ). Путь, совершенный поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня и обозначают буквой s.

Перемещение поршня из одного крайнего положения в другое называют тактом. Объем цилиндра, заключенный между ВМТ и НМТ, называют рабочим объемом цилиндра и обозначают буквой Vс. Объем, заключенный между головкой цилиндра и поршнем, находящимся в ВМГ, называют объемом камеры сгорания или камеры сжатия и обозначают буквой Vc — Сумму рабочего объема Vh и объема камеры сгорания Vc называют полным объемом цилиндра:

V_с=V_h+V_e.

Отношение полного объема камеры сгорания называют степенью сжатия и обозначают буквой.

==Va/Ve.

Для того чтоб в цилиндре двигателя топливо сгорало наиболее полно, оно должно быть хорошо перемешано с необходимым для сгорания количеством воздуха При этом следует стремиться к сжиганию топлива при минимальном избытке воздуха Чем мельче распылено жидкое топливо и чем лучше оно перемешано с воздухом, тем полнее происходит сгорание при данном коэффициенте избытка воздуха, А это означает, что при хорошем смесеобразовании в тот же рабочий объем цилиндра можно ввести большее количество топлива, что повысит мощность двигателя.

Смесь воздуха с топливом, приготовленную для сжигания в двигатели, называют рабочей смесью. Существует два способа смесеобразования: внешнее и внутреннее.

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление свежей смеси производится в смесителе. Готовая для горения смесь подается в цилиндр. Зажигание смеси в цилиндре производится принудительно от электрической искры Двигатели с внешним смесеобразованием работают с низкой степенью сжигания смеси. К ним относятся карбюраторные и газовые двигатели.

В двигателях с внутренним смесеобразованием топливо и воздух в рабочий цилиндр подаются раздельно. Внутри цилиндра они смешиваются, образуя рабочую смесь. Двигатели такого рода разделены на два вида: двигатели высокого сжатия с самовоспламенением и двигатели низкого сжатия с принудительным зажиганием.

По способу осуществления цикла двигатели внутреннего сгорания делят на два основных класса;

• — четырехтактные, в которых каждый рабочий цикл совершается один раз за четыре такта (т.е. один рабочий цикл за два оборота вала)
• — двухтактные, в которых каждый рабочий цикл совершается один раз за два такта (т.е. один рабочий цикл за один рабочий оборот вала).

Рассмотрим четырехтактный цикл на примере работы двигателя с воспламенением от сжатия (дизеля).

Первый такт (положение I) осуществляется при открытом впускном клапане и ходе поршня от ВМТ к НМТ, Вследствие создаваемого при этом разрежения в цилиндре происходит его заполнение воздухом. Первый такт называется тактом всасывания. Второй такт (положение II) — сжатие — происходит при обратном движении поршня от НМТ к ВМТ и закрытых клапанах — К концу сжатия давление в цилиндре достигает 3.4 МПа и температура равна 600.700° С. В этот момент топливный насос попадает в цилиндр через форсунку 9 порцию топлива в распыленном состоянии, которое при соприкосновении с горячим воздухом воспламеняется. Третий такт (положение III) включает в себя процессы сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, которые совершаются при ходе поршня от ВМТ к НМТ и закрытых клапанах. Этот такт называется тактом расширения или рабочим ходом. Вследствие выделения большого количества теплоты к концу сгорания топлива давление газов в цилиндре достигает 5,0.8,0 МПа и температура равна 1400.1700° С. В конце расширения давление снижается до 0,25.0,45 МПа, а температура-до 600.750° С.

Для подготовки цилиндра к осуществлению следующего цикла совершается четвертый такт (положение IV) — выпуск. При этом поршень через открытый выпускной клапан вытесняет из цилиндра продукты сгорания. Выпуск совершается при давлении несколько выше атмосферного.

Из всех четырех тактах только при третьем совершается положительная работа Во всех остальных тактах происходит затрата работы Стремление более эффективно использовать рабочий цилиндр двигателя привело к созданию двухтактного цикла. В этом случае освобождение и наполнение цилиндра производятся только на части хода поршня путем продувки его воздухом.

Двухтактный рабочий цикл (рис.) осуществляется преимущественно в двигателях с внутренним смесеобразованием. В простейших двухтактных двигателях впускные и выпускные клапаны заменяются окнами. Кроме того, двигатель должен иметь компрессор (продувочный насос). Рабочий процесс в двухтактном двигателе осуществляется следующим образом. После сгорания топлива (положение I) начинается процесс расширения газов. В конце расширения поршень открывает выпускные окна, сообщая полость цилиндра через выпускную трубу с атмосферой, при этом часть отработавших газов удаляется из цилиндра и давление в нем падает до давления продувочного воздуха (положение II). Далее, продолжая перемещаться вниз, поршень открывает продувочные окна 4 и в цилиндр поступает воздух, предварительно сжатый в120.130 КПа.

Этот воздух выталкивает через выпускные окна продукты сгорания и заполняет цилиндр. В начале второго такта продолжается процесс удаления отработавших газов и заполнения цилиндра двигателя свежим воздухом (положение III). После того как поршень закроет окна, начинается сжатие воздуха (положение IV). Таким образом, в цилиндре двухтактного двигателя за два хода поршня, т. е. за один оборот вала, происходят все процессы, образующие рабочий цикл. В течение хода поршня от ВМТ до НМТ совершается такт расширения (положения I и II), при обратном же ходе поршня — такт сжатия (положения III и IV). В период одновременного открытия продувочных и выпускных окон (положение III) в цилиндре двигателя осуществляется так называемый процесс продувки цилиндра, т. е. процесс ввода через продувочные окна сжатого воздуха, который вытесняет продукты сгорания и заполняет цилиндр свежим воздухом.