Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания: назначение, классификация, устройство

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) – это тип двигателя тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т. д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, – например, на транспорте.

Поршневые двигатели – камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

По назначению – делятся на транспортные, стационарные и специальные.

По роду применяемого топлива – легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо).

По способу образования горючей смеси – внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС.

По способу воспламенения (искра или сжатие).

По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные, V-образные, VR-образные и W-образные двигатели.

Бензиновые карбюраторные. Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае – ее гомогенизированность.

Бензиновые инжекторные. Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осушествляется плунжерно – рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных же системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ) впрыском, управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные. Специальное дизельное топливо впрыскивается в определенный момент (не доходя до верхней мертвой точки) в цилиндр под высоким давлением через форсунку. Горючая смесь образуется непосредственно в цилиндре по мере впрыска топлива. Движение поршня внутрь цилиндра вызывает нагрев и последующее воспламенение топливовоздушной смеси (при этом коэффициент сжатия может достигать 15-21). КПД дизельного двигателя достигает 35% (до 44% при использовании турбонаддува). Дизельные двигатели являются низкооборотными и характеризуются высоким вращающим моментом на валу двигателя. Дополнительным преимуществом дизельного двигателя является то, что, в отличие от двигателей с принудительным зажиганием, он не нуждается в электричестве для работы (в автомобильных дизельных двигателях электрическая система используется только для запуска), и, как следствие, менее боится воды.

Газовые. Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях: смеси сжиженных газов – хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.

Сжатые природные газы – хранятся в баллоне под давлением 150-200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие – отсутствие испарителя.

Генераторный газ – газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные. Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневой. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания – двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув).

RCV – двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

  • – автономность;
  • – универсальность (сочетание с различными потребителями);
  • – невысокая стоимость;
  • – компактность;
  • – малая масса;
  • – возможность быстрого запуска;
  • – многотопливность.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

  • – корпус;
  • – кривошипно-шатунный механизм;
  • – газораспределительный механизм;
  • – впускная система;
  • – топливная система;
  • – система зажигания (бензиновые двигатели);
  • – система смазки;
  • – система охлаждения;
  • – выпускная система;
  • – система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Циклы работы поршневых ДВС. Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из четырёх процессов: впуска, сжатия, сгорания и выпуска. В двигателе рабочий цикл может быть осуществлен по следующей широко применяемой схеме.

1. В процессе впуска поршень перемещается от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), а освобождающееся надпоршневое пространство цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом. Из-за разности давлений во впускном коллекторе и внутри цилиндра двигателя при открытии впускного клапана смесь поступает (всасывается) в цилиндр в момент времени, называемый углом открытия впускного клапана ца.

Воздушно-топливная смесь и продукты сгорания (всегда остающиеся в объёме пространства сжатия от предыдущего цикла), смешиваясь между собой, образуют рабочую смесь. Тщательно приготовленная рабочая смесь повышает эффективность сгорания топлива, поэтому её подготовке уделяется большое внимание во всех типах поршневых двигателей.

Количество воздушно-топливной смеси, поступающее в цилиндр за один рабочий цикл, называется свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся в цилиндре к моменту поступления в него свежего заряда – остаточными газами.

Чтобы повысить эффективность работы двигателя, стремятся увеличить абсолютную величину свежего заряда и его весовую долю в рабочей смеси.

2. В процессе сжатия оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от н.м.т. к в.м.т. и уменьшая объём надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.

Двигатели внутреннего сгорания строятся с возможно большей степенью сжатия, которая в случаях принудительного зажигания смеси достигает значения 10-12, а при использовании принципа самовоспламенения топлива выбирается в пределах 14-22.

3. В процессе сгорания происходит окисление топлива кислородом воздуха, входящего в состав рабочей смеси, вследствие чего давление в надпоршневой полости резко возрастает.

В рассматриваемой схеме рабочая смесь в нужный момент вблизи в.м.т. поджигается от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (порядка 15 кв). Для подачи искры в цилиндр служит свеча зажигания, которая ввертывается в головку цилиндра.

Для двигателей с воспламенением топлива от тепла, выделяющегося от предварительно сжатого воздуха, запальная свеча не нужна. Такие двигатели снабжаются специальной форсункой, через которую в нужный момент в цилиндр впрыскивается топливо под давлением в 100 ч 300 Кг / смІ (? 10-30 Мн / мІ) В процессе расширения раскаленные газы, стремясь расшириться, перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на шатунную шейку коленчатого вала и проворачивает его.

4. В процессе выпуска поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через второй открывающийся к этому времени клапан, выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объёме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочих циклов.

Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию её в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгорания, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счёт энергии маховика, которую он накапливает в процессе рабочего хода.

В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счёт работы других (соседних) цилиндров. Поэтому эти двигатели в принципе могут работать без маховика.

Для удобства изучения рабочий цикл различных двигателей расчленяют на процессы или, наоборот, группируют процессы рабочего цикла с учетом положения поршня относительно мертвых точек в цилиндре. Это позволяет все процессы в поршневых двигателях рассматривать в зависимости от перемещения поршня, что более удобно.

Будет полезно:  Как правильно подобрать моторное масло для турбодизеля: обзор и советы

Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками, называется тактом.

Такту, а следовательно, и соответствующему ходу поршня присваивается название процесса, который является основным при данном перемещении поршня между двумя его мертвыми точками (положениями).

В двигателе каждому такту (ходу поршня) соответствуют, например, вполне определённые основные для них процессы: впуск, сжатие, расширение, выпуск. Поэтому в таких двигателях различают такты: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Каждое из этих четырёх названий соответственно присваивается ходам поршня.

В любых поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл складывается из рассмотренных выше пяти процессов по разобранной выше схеме за четыре хода поршня или всего за два хода поршня. В соответствии с этим поршневые двигатели подразделяют на двух- и четырёхтактные.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС. Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Также ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки (для увеличения ресурса ДВС), и системы охлаждения (для отвода избытка тепла).

Двигатели внутреннего сгорания. Классификация, основные типовые конструкции

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — наиболее распростра­ненный тип тепловых двигателей, в которых процессы получения тепловой энергии и преобразования ее в механическую работу про­странственно совмещены. Достигается это совмещение благодаря тому, что получение теплоты от сжигания топлива осуществляется в полостях с ограниченным объемом, в результате чего расширяю­щиеся продукты сгорания создают избыточное давление. Такое давление реализуется в виде механической работы, затрачиваемой на перемещение поршней, турбинных лопаток или вытекающей струи газа. В соответствии с типом элемента, перемещаемого дав­лением газа, различают поршневые, турбинные и реактивные дви­гатели.

Благодаря компактности, высокой экономичности и надежнос­ти поршневые ДВС получили наиболее широкое применение в раз­личных отраслях промышленности, строительства и пр. Класси­фикация поршневых ДВС показана на рис. 1.

Процесс преобразования тепловой энергии в механическую ра­боту поршневыми двигателями осуществляется циклически.

Рабочим циклом называют совокупность последовательно про­текающих в цилиндре двигателя термодинамических процессов, в результате совершения которых происходит однократное преобра­зование тепловой энергии, выделенной при сжигании порции топ­лива в цилиндре двигателя, в механическую работу по перемеще­нию поршня. Рабочий цикл состоит из следующих процессов: за­полнения цилиндра воздухом или приготовленной в карбюраторе горючей смесью, сжатия воздуха или горючей смеси, подачи и распыливания топлива в дизелях (смесеобразование), воспламенения, сгорания и тепловыделения, расширения продуктов сгорания и вы­пуска отработавших газов.

Рис. 1. Общая классификация двигателей внутреннего сгорания.

Поршень в цилиндре двигателя совершает возвратно-поступа­тельные движения между определенными (фиксированными) по­ложениями, которые называются соответственно внутренней и наружной мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Перемещение поршня между мертвыми точками в одном направлении называют ходом поршня, а часть цикла, совершаемую при движении поршня между мертвыми точками, — тактом. Название такта дается по основному процессу, протекающему при ходе поршня. При перемещении поршня объем внутренней полости цилиндра меняется.

Характерными объемами при этом принимаются следующие:

– объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ, называемый объемом пространства сжатия и обозначаемый Vc;

– объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, называемый полным объемом цилиндра и обозначаемый Vt;

– объем, описываемый поршнем между мертвыми точками, кото­рый называется рабочими объемом цилиндра и обозначается Vs.

Отношение полного объема цилиндра к объему пространства сжатия называют степенью сжатия, ее обозначают е и находят по формуле

(1)

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем цилиндра над поршнем, т. е. сжимается заряд в цилиндре при перемещении поршня из НМТ в ВМТ.

Рабочий цикл в ДВС может совершаться за два или четыре хода поршня. В соответствии с этим двигатели называют двух­тактными и четырехтактными.

В зависимости от способа приготовления горючей смеси, полу­чаемой при смешивании топлива с воздухом, различают двигатели с внутренним смесеобразованием — дизельные и внешним — кар­бюраторные двигатели.

По способу воспламенения рабочей смеси, состоящей из топлива и воздуха, ДВС делят на основные группы: с принудительным воспламенением от постороннего источника (двигатели карбюра­торные и газовые); с воспламенением от сжатия (дизели).

Карбюраторные двигатели работают на легком жидком топли­ве (бензине), дизели — на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе и других фракциях нефти).

В карбюраторных двигателях горючая смесь образуется вне ци­линдра. В цилиндры поступает готовая смесь (пары бензина с воз­духом), которая во время такта сжатия сжимается в 6-9 раз и затем поджигается электрической искрой.

Дизели работают по иному принципу, чем карбюраторный дви­гатель: в цилиндры поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который сжимается в 12-20 раз. При таком сжатии давление в камере сжатия повышается, а сам воздух при этом нагревается. В сжатый и нагретый воздух через специальную форсунку впрыс­кивается дизельное топливо, которое распыляется на мельчайшие капельки и частично испаряется, образуя с воздухом горючую смесь. Эта смесь воспламеняется от нагретого при сжатии воздуха без какого-либо постороннего зажигания и сгорает.

Количественные соотношения топлива и воздуха (топливо и воздух образуют горючую смесь) определяются окислительно-вос­становительными реакциями, протекающими между химическими элементами топлива и кислородом воздуха. В большем количестве воздуха можно сжечь большее количество топлива и, следова­тельно, получить большее количество теплоты и механической ра­боты, поэтому в дизельных двигателях для повышения мощности при неизменных геометрических параметрах цилиндров может ис­пользоваться наддув, т. е. подача воздуха под давлением.

Поршневой ДВС состоит из группы неподвижных и подвижных узлов и ряда обслуживающих систем. Принципиальные схемы од­ноцилиндрового четырехтактного дизеля с наддувом и двухтактного дизеля показаны на рис. 2, 3 и 4.

К основным неподвижным узлам относятся фундаментная рама с подшипниками коленчатого вала, на которую устанавливаются станина и втулки цилиндров. Сверху цилиндры закрываются крыш­ками. Двигатели с помощью лап монтируются на подмоторной раме 13 (см. рис. 2, а). Втулки цилиндров устанавливаются, как правило, в едином блоке, называемом блоком цилиндров 5, и закрывается единой для всего ряда цилиндров крышкой, которую называют головкой блока цилиндров 11. К главным подвижным деталям ДВС относятся поршень 7, шатун 3 и коленчатый вал 2.

Рис. 2. Двигатель внутреннего сго­рания (дизель):

а — принципиальная схема двигате­ля:

1 – нижний картер (поддон); 2 – коленчатый вал; 3 – шатун; 4 – верхний картер; 5 – блок цилиндров; 6 – нагнетатель (наддувочный аг­регат); 7 – поршень; 8 – впускной клапан; 9 -форсунка; 10 – выпускной клапан; 11 -голов­ка блока цилиндров; 12 – топливный насос высокого давления; 13 – подмоторная рама;

б – индикаторная диаграмма Р — V; в – диаграмма фаз газораспределения:

φ — угол опережения открытия впускного кла­пана; φз — угол запаздывания закрытия впуск­ного клапана; φв — угол опережения открытия выпускного клапана; φк — угол запаздывания закрытия выпускного клапана; φт — угол опе­режения впрыска топлива; φк — угол пере­крытия клапанов;

г — схема работы четырехтактного дизеля

Рис. 3. Схема работы двухтактного дизеля со встречно-движущимися поршнями и прямоточно-щелевой продувкой:

1,6 – верхний и нижний поршни; 2 – продувочные окна; 3 – форсунки; 4 – камера сгорания; 5 – выхлопные окна

Рис. 4. Двухтактный дизель с П-образной поперечной продув­кой: а – схема работы двухтактного дизеля; б – диаграмма фаз газораспределения; в – индикаторная диаграмма: zут – рас­ширение; тп – свободный выпуск; паа’ – продувка; а’а” – на­полнение; а”с – cжатие; czy – горение; х – начало впрыска топлива; у -окончание подачи топлива в камеру сгорания

Каждый ДВС имеет следующие системы:

– систему газообмена, управляющую органами наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха и очистки его от отработавших газов;

– топливную систему, служащую для подачи и подготовки топлива к сгоранию в цилиндре;

Современные ДВС оснащаются также дополнительными системами и устройствами, которые улучшают мощностные и другие показатели. К ним относят системы наддува, предпускового подо­грева и автоматики, шумо- и виброгасящие устройства, гасители крутильных колебаний на коленчатом валу и т. п.

К основным параметрам дизелей относят номинальную мощ­ность, число цилиндров, тактность, диаметр цилиндра, ход поршня, степень сжатия, массогабаритные размеры и др.

Рассмотрим принцип работы четырехтактного ди­зеля с наддувом (см. рис. 2, г), у которого один рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала.

Первый такт — такт впуска свежего воздуха — происходит при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Впускной клапан 8 открыт, а выпускной 10 — закрыт. С началом движения поршня от ВМТ к НМТ объем рабочего пространства цилиндра 5 увеличи­вается, а давление в нем уменьшается и становится меньше атмос­ферного в дизелях без наддува (нагнетатель 6 отсутствует).

При наличии наддува воздух поступает в цилиндр под давлением, со­здаваемым компрессором (наддувочным агрегатом). При отсут­ствии наддува свежий заряд воздуха поступает в цилиндр за счет разрежения. Для достижения максимального наполнения цилинд­ра впускной клапан открывается несколько раньше, в точке г с определенным углом опережения, равным 15-35° угла поворота коленчатого вала до ВМТ, и закрывается в точке а с некоторым углом запаздывания φз, равным 10-30° поворота вала после НМТ (см. рис. 2, в).

Будет полезно:  Электробензонасос на карбюраторный двигатель: установка и основные преимущества

Второй такт — такт сжатия — начинается при обратном ходе поршня НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. В цилиндре образуется замкнутое пространство, объем которого при движении к ВМТ уменьшается. За счет уменьшения объема происходит сжа­тие свежего заряда воздуха, в результате чего повышаются его давление до 3-4 МПа и температура — до 600-700 °С, которая становится достаточной для самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

При подходе поршня к ВМТ в цилиндр впрыскивается мелко распыленное топливо с некоторым опережением φт, равным 10-30° угла поворота коленчатого вала до ВМТ, для образования однород­ной смеси и ее воспламенения вблизи ВМТ.

Третий такт — такт расширения, при котором топливо сгорает и происходит резкое повышение давления и температуры рабочего тела. Максимальное давление при сгорании топлива у малооборот­ных дизелей 5-7 МПа, у средне- и высокооборотных 6-12 МПа, у дизелей с наддувом 10-15 МПа. Температура газа в конце сго­рания топлива тем выше, чем больше давление, и колеблется в пределах 1600-2000 °С.

Высокое давление при расширении рабочего тела вызывает дви­жения поршня от ВМТ к НМТ, в результате чего совершается полезная работа.

Четвертый такт — такт выпуска, при котором в конце рабоче­го хода до прихода поршня в НМТ открывается выпускной кла­пан 10 и начинается процесс свободного выпуска газов из цилинд­ра в выпускной трубопровод. Свободный выпуск осуществляется за счет перепада давления в цилиндре и в выпускной системе. Температура отработавших газов при этом 350-500 °С и давле­ние 0,3-0,4 МПа.

Опережение открытия выпускного клапана 10 в точке 6 соот­ветствует φв = 20-50° угла поворота коленчатого вала до НМТ. Поршень, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из ци­линдра, освобождая цилиндр для новой порции свежего воздуха.

Закрывается выхлопной клапан в точке r при φк = 10-30° за ВМТ. Сумма двух углов φ + φк называется углом перекрытия клапанов. При дальнейшем движении поршня вниз начинается новый рабочий цикл, такты которого повторяются в перечислен­ной ранее последовательности.

Рассмотрим принцип работы двухтактного дизеля (см. рис. 3) со встречно-движущимися поршнями и прямоточно-щелевой продувкой.

В цилиндре дизеля имеется по два поршня, движущихся в про­тивоположных направлениях и образующих при этом в средней части цилиндровой гильзы (между днищами поршней) одну об­щую камеру сгорания. Подвод продувочного воздуха к цилиндрам и выпуск отработанных газов осуществляются через окна в ци­линдровых гильзах, которые открываются и закрываются поршня­ми. Верхние поршни управляют впуском воздуха через продувочные окна, а нижние — выпуском отработанных газов через выпуск­ные (выхлопные) окна.

Рабочий цикл в двухтактном дизеле совершается за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала, и осуществляется следую­щим образом.

Первый такт начинается при движении поршней навстречу друг другу (см. рис. 3) от их НМТ к ВМТ. Сначала нижний поршень перекрывает выпускные окна, а затем верхний поршень — продувочные окна. Указанная очередность закрытия окон объяс­няется тем, что нижний коленчатый вал по углу поворота опере­жает верхний на 12°. До закрытия выпускных окон воздух, посту­пающий под давлением, вытесняет отработавшие газы из цилинд­ра. Когда окна закрываются, воздух через открытые впускные окна продолжает поступать в цилиндр.

Более позднее закрытие впуск­ных окон по сравнению с выпускными способствует дозаправке цилиндра свежим воздухом до давления, почти равного давлению продувочного воздуха, т. е. происходит так называемый наддув. Это позволяет увеличивать весовой заряд воздуха в цилиндре, а, следовательно, сжечь большее количество топлива и получить большую мощность.

Как только окна закрылись, начинается сжатие воздуха в ци­линдре. Когда поршни приблизятся к ВМТ, в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое в среде нагретого при сжатии до высокой температуры воздуха воспламеняется.

В начале второго такта происходит сгорание топлива, что при­водит к повышению давления газов в цилиндре до 8-9 МПа. Под действием этого давления поршни расходятся от ВМТ, газы расши­ряются и их давление понижается. В конце такта расширения ниж­ний поршень открывает выпускные окна и начинается выхлоп от­работавших газов. Немного позднее, когда верхний поршень откро­ет впускные окна, начинается процесс продувки цилиндра свежим воздухом. Этот процесс продолжается до момента закрытия выпуск­ных окон в начале первого такта, а далее цикл повторяется.

Аналогично совершается рабочий цикл двухтактного дизеля с П-образной поперечной продувкой (см. рис. 4).

Классификация и назначение ДВС

Как известно, на сегодняшний день существует большое количество различных типов двигателей внутреннего сгорания. Указанные типы силовых агрегатов являются источником энергии для транспортных средств, механизмов и агрегатов, а также отличаются по производительности, конструкции, по назначению и т.д.

В наших предыдущих статьях мы уже рассматривали всевозможные виды двигателей, которые устанавливаются на автомобили. Далее мы намерены поговорить о том, какая существует классификация двигателей внутреннего сгорания.

Общая классификация двигателей

Начнем с того, что двигатели внутреннего сгорания классифицируют по ряду признаков и особенностей. Прежде всего, силовые установки отличаются по своему назначению. ДВС бывают:

  • стационарного типа;
  • двигатели на транспорте;

Также силовые установки отличаются по типу используемого топлива. Двигатели могут работать на:

  • жидком и легком топливе (бензин, дизтопливо, спирт);
  • жидком тяжелом топливе (мазут, соляровое масло, газойль)
  • газовом топливе;
  • использовать горючее комбинированного типа, когда в двигателе одновременно используется жидкое топливо и газ (например, газодизель);
  • применяется сразу несколько видов топлива для многотопливного ДВС (агрегат работает как на бензине, так и на керосине и т.д.);

Также двигатели внутреннего сгорания можно разделить по тому, как реализовано преобразование тепловой энергии в результате сжигания топлива в механическую полезную работу. Двигатели бывают:

  • поршневыми ДВС (сгорание и преобразование тепловой энергии в механическую работу происходит в цилиндре двигателя;
  • газотурбинные двигатели (в таких двигателях топливо сгорает в особой камере сгорания, после тепловая энергия преобразуется в механическую на лопатках турбинного колеса;
  • двигатели комбинированного типа, в которых топливо сгорает в цилиндрах поршневого двигателя, при этом такой двигатель является генератором газа. Это значит, что тепловая энергия только частично превращается в механическую в цилиндре, а также частично преобразование происходит на лопатках турбинного колеса (например, турбопоршневой двигатель).

Еще двигатели внутреннего сгорания отличаются по способу смесеобразования. Силовые агрегаты бывают:

  • моторы с внешним смесеобразованием (рабочая смесь образуется не в цилиндре). Если просто, это карбюраторные бензиновые и газовые двигатели, а также инжекторные двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор.
  • установки с внутренним смесеобразованием (на такте впуска в цилиндр отдельно подается воздух, затем прямо в камеру сгорания впрыскивается топливо, а рабочая смесь образуется уже в самом цилиндре). Такое смесеобразование происходит в дизельных двигателях, в бензиновых установках с искровой системой зажигания и газовых двигателях, где реализована подача горючего в цилиндр перед началом сжатия.

Также двигатели классифицируют и по способу воспламенения рабочей топливно-воздушной смеси. Смесь может воспламеняться:

  • от внешнего источника, которым выступает электрическая искра на свече зажигания;
  • от сжатия, где смесь воспламеняется от высоких температур во время сильного сжатия воздуха и топлива в цилиндре (например, дизельный ДВС);
  • агрегаты с форкамерно-факельным зажиганием. В таких форкамерных моторах имеется две камеры сгорания. В первой (малой) камере смесь воспламеняется от искры, затем дальнейшее воспламенение основного заряда в основной (большой) камере происходит благодаря распространению фронта пламени из малой камеры.
  • двигатели, которые работают по принципу первичной подачи небольшого количества жидкого топлива (самовоспламеняется от сжатия), в результате чего удается поджечь и основной заряд, который состоит из газового топлива (газодизельный двигатель).

Что касается наддува, двигатели бывают компрессорными и турбированными, а также могут сразу иметь оба решения. Моторы с турбокомпрессором получают газовую турбину, которая работает благодаря воздействию отработавших газов.

Агрегаты с механическим компрессором конструктивно оснащены устройством, которое приводится в действие от двигателя, забирая у него часть энергии. Комбинированный тип предполагает, что двигатель одновременно имеет и турбокомпрессор, и механический нагнетатель.

Еще следует упомянуть различия по способу регулирования подачи топлива в цилиндры при изменении нагрузки. Существуют двигатели с регулированием смеси по:

В первом случае речь идет об изменении состава смеси с учетом нагрузок и режимов работы ДВС. Во втором случае состав не меняется, при этом подается только большее или меньшее количество. В двигателях со смешанным регулированием меняется как состав смеси, так и количество, что зависит от нагрузок на агрегат.

Напоследок отметим, что классификация автомобильных двигателей затрагивает поршневые ДВС (бензиновые, дизельные и газовые), карбюраторные и инжекторные, с внешним смесеобразованием или прямым впрыском топлива, с воспламенением от искры или с воспламенением от сжатия.

Также на некоторых авто можно встретить газотурбинные, форкамерные или роторно-поршневые двигатели, однако сегодня такие агрегаты нельзя назвать массовыми применительно к автоиндустрии.

Основные конструктивные отличия ДВС

Если говорить о главных отличиях в конструкции поршневых двигателей, различные силовые агрегаты делятся на рядные горизонтальные и вертикальны по расположению цилиндров. Также двигатели бывают V-образными, оппозитными и т.д.

Будет полезно:  Разновидности диагностики Шевроле Круз: инструкция и коды самодиагностики, схема адаптера и проверка систем автомобиля, распространенные неисправности и способы ремонта

Еще агрегаты бывают однопоршневыми двигателями, когда в одном цилиндре имеется один поршень и рабочая полость. При этом также встречаются ДВС, в которых поршни движутся противоположно в одном цилиндре, а рабочая полость находится между двумя поршнями. Также бывают моторы двойного действия, в которых по обеим сторонам от поршня имеются рабочие полости.

При этом существуют варианты роторного двигателя, где поршень-ротор не движется, а планетарное движение совершает корпус ДВС. Еще одной разновидностью можно считать агрегаты, в которых движется как корпус, так и сам ротор.

Что в итоге

Итак, выше были рассмотрены назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания. При этом данная информация наглядно демонстрирует широчайшую сферу применения поршневых ДВС.

С учетом тех или иных особенностей конкретного типа ДВС такие агрегаты используются как на транспортных средствах, так и в качестве генераторов, устройств привода всевозможных агрегатов и механизмов.

Классификация, общее устройство и основные параметры двигателя

Двигателем называется машина, преобразующая тот или иной вид энергии в механическую работу. На автомобилях устанавливаются двигатели, использующие тепловую энергию, которая выделяется при сгорании жидкого или газообразного топлива. Двигатели, у которых сгорание топлива происходит внутри замкнутой рабочей полости (камера сгорания),называются двигателями внутреннего сгорания. Если у таких двигателей преобразование теплоты в работу связано с перемещением поршней в цилиндрах, эти двигатели называются также поршневыми.

Автомобильные поршневые двигатели классифицируются по нескольким признакам:

  • по способу смешивания топлива с воздухом и воспламенению смеси с внешним смесеобразованием и воспламенением от электрической искры (карбюраторные двигатели) и внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизели);
  • по числу цилиндров – одно, двух и многоцилиндровые (четырех, шести, восьмицилиндровые);
  • по числу тактов, составляющих рабочий процесс четырех и двухтактные;
  • по виду применяемого топлива – бензиновые, на дизельном топливе, на газовом топливе, многотопливные;
  • по расположению цилиндров – с расположением цилиндров в один ряд (рядные) и «V» -образные, у которых цилиндры расположены в два ряда под углом один к другому;
  • по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением.

Различные типы двигателей внутреннего сгорания имеют одинаковое общее устройство. Каждый из них имеет кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, систему охлаждения, смазочную систему, систему питания, а карбюраторные двигатели, кроме того, и систему зажигания.

Рис. 1 Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания: 1-цилиндр; 2-поршень; 3-коленчатый вал

Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем. В закрытом сверху цилиндре 1 (рис.1) размещается поршень 2, соединенный через шатун с кривошипом коленчатого вала 3. Сверху в цилиндре расположено два клапана – впускной и выпускной. При перемещения поршня вниз через открывающийся впускной клапан цилиндр заполняется атмосферным воздухом (у дизелей) или горючей смесью (у карбюраторных двигателей). При движении поршня вверх поступивший воздух или горючая смесь сжимается. При подходе поршня в верхнее положение в сжатый воздух впрыскивается топливо (у дизелей) или подается электрическая искра (у карбюраторных двигателей); вследствие чего смесь топлива и воздуха сгорает и выделяется теплота. Газы, образовавшиеся при сгорания нагреваются, их давление и температура возрастают. Под действием давления газов поршень перемещается вниз и через шатун поворачивает коленчатый вал, совершая полезную работу. При дальнейшем перемещении поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра в атмосферу через открывающийся выпускной клапан. При перемещении поршня из одного крайнего положения в другое коленчатый вал совершает поворот вокруг , своей оси на 180°. Для совершения полного оборота поршень должен переместиться один раз вниз и один раз вверх. Крайние положения “поршня в цилиндре называются мертвыми точками, так как скорость поршня в этих , положениях равна нулю. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – положение поршня, наиболее удаленное от оси коленчатого вала. Нижняя мертвая точка (НМТ) – положение поршня, наименее удаленное от оси коленчатого вала. Ход поршня – это расстояние, которое проходит поршень при перемещении от ВМТ к НМТ.

Камерой сгорания называется пространство в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ (на рис.1 обозначено Vc). Рабочим объемом цилиндра (Vh) называется объем, который освобождается поршнем при его перемещении от ВМТ к НМТ. Рабочим объемом двигателя или литражом называется сумма работы объемов Всех его цилиндров, измеряется в , кубических сантиметрах или литрах. Полный объем цилиндра – сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания ( Va=Vh+Fc ). Степенью сжатия двигателя называется отношение полного объема к объему камеры сгорания ( E=Va/Vc ). Эта величина показывает, во сколько раз уменьшается объем воздуха или рабочей смеси при перемещении поршня от НМТ к ВМТ.

Карбюраторные двигатели имеют степень сжатия в пределах 6. ..10, дизели – 15 . 20. Чем выше степень сжатия двигателя, тем эффективнее в нем теплота превращается в работу. У карбюраторных двигателей степень сжатия ограничена свойствами топлива. При большой степени сжатия у этих двигателей возможно самовоспламенение рабочей смеси и взрывной характер горения (детонация), что снижает их работоспособность и экономичность. У дизелей с повышением степени сжатия возрастают нагрузки на деталь двигателя.

Устройство автомобилей

Классификация автомобильных двигателей

К двигателям, устанавливаемым на автомобилях, предъявляются определенные требования, которые зависят и от условий полной автономности этих транспортных средств, и от их конкретного назначения (типа автомобиля) . В любом случае, двигатель автомобиля должен иметь минимальные габариты и массу при достаточной развиваемой мощности и высокой экономичности, а также не представлять угрозу безопасности людей и окружающей природы.

Как уже упоминалось в предыдущей статье, на автомобилях наибольшее распространение получили тепловые двигатели, преобразующие энергию тепла от сгорания топлива в механическую энергию движения. Применение двигателей других типов, способных использовать для работы прочие виды энергии, ограничено рядом причин, среди которых наиболее веская – технологическая.

Тепловая энергия является доступной, ее можно легко извлечь из любого калорийного топлива, но самое главное – тепловую энергию в виде топлива можно в достаточном количестве запасти в дорогу. Ведь автомобиль – это автономное средство передвижения, и если его, например, «привязать» проводами к емкому источнику электроэнергии, то он лишится автономности.
Сложно запастись в дорогу и другими видами энергии, например, энергией сжатого газа, потока жидкости, солнечного света и т. п.
Применение в автомобильных двигателях ядерной энергии на современном уровне развития науки и технологий обойдется слишком дорого, а в условиях массовой эксплуатации – небезопасно.
Поэтому основное препятствие на пути использования других видов энергии вместо тепловой в автомобильных двигателях – отсутствие емких аккумуляторов энергии, способных поддерживать работу двигателя длительное время.

Все тепловые двигатели по способу подвода тепла к рабочему телу делят на два типа:

  • тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) ;
  • тепловые двигатели с внешним подводом теплоты.

На современных автомобилях в подавляющем большинстве применяется первый тип двигателей, который отличается тем, что тепло к газообразному рабочему телу подводится непосредственно в самом двигателе путем сжигания смеси топлива с кислородом воздуха.
К двигателям второго типа, использующим для работы рабочее тело, нагретое вне двигателя, относятся, например, паровые машины, которые в настоящее время почти не используются по ряду причин:

  • высокая удельная металлоемкость на единицу полученной механической энергии;
  • низкий КПД;
  • относительно долгая подготовка к работе и т. д.

Рядом технологических причин ограничивается использование в качестве автомобильных двигателей газовых турбин, которые подразделяются на турбины внешнего сгорания и турбины внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга, который по принципу действия относится к двигателям внешнего сгорания, тоже не получил признания в массовом автомобильном производстве.

По конструкции тепловые двигатели классифицируют на следующие типы:

  • поршневые;
  • роторно-поршневые;
  • газотурбинные;
  • реактивные.

Наибольшее распространение на автомобилях получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые в свою очередь классифицируются по следующим признакам:

По способу воспламенения рабочего тела :

  • с искровым (принудительным) воспламенением;
  • с воспламенением от сжатия (самовоспламенением) .

К первому типу относятся двигатели, использующие специальную систему воспламенения рабочего тела (систему зажигания) . К таковым относятся, например, карбюраторные, инжекторные и газовые двигатели.
Ко второму типу относятся дизельные двигатели, в которых топливо самовоспламеняется из-за сильного нагрева при высокой степени сжатия.

По виду используемого топлива :

  • работающие на жидком топливе (бензин, дизтопливо, керосин) ;
  • работающие на газообразном топливе.

По способу смесеобразования :

  • с внешним смесеобразованием;
  • с внутренним смесеобразованием.

К двигателям с внешним смесеобразованием (т. е. смешиванием топлива с кислородом воздуха вне цилиндра) относятся карбюраторные двигатели и двигатели с центральным и распределенным впрыском бензина, а к двигателям с внутренним смесеобразованием – дизельные и инжекторные двигатели непосредственного впрыска, в которых топливо и воздух поступают в цилиндр раздельно, и в дальнейшем смешиваются, образуя рабочую смесь.

По регулированию мощности :

  • количественное регулирование;
  • качественное регулирование.

При количественном регулировании мощность двигателя изменяется вследствие изменения общего количества топливовоздушной смеси, подаваемой в цилиндр.
При качественном регулировании мощность изменяется количеством впрыскиваемого в цилиндр топлива при неизменном количестве подаваемого воздуха.

По характеру и последовательности термодинамических процессов в цилиндрах двигателя:

Термодинамические процессы, имеющие место в тепловых двигателях, а также пути повышения их эффективности (КПД) рассмотрены в статьях раздела «Основы гидравлики и теплотехники». Там же можно найти информацию об истории изобретения тепловых двигателей, применяемых на автомобилях.

Источники:

http://studopedia.ru/4_159805_lektsiya-.html

http://krutimotor.ru/klassifikatsiya-i-naznachenie-dvigatelej-vnutrennego-sgoraniya/

http://xn—-7sbfkccucpkracijq8iofobm.xn--p1ai/%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8-%D0%BF%D0%BE-%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D1%83-%D0%B2%D0%B0%D1%82/%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F,-%D0%BE%D0%B1%D1%89%D0%B5%D0%B5-%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE-%D0%B8-%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D1%8B-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F

http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.01/3_dvs_1/

http://htdrive.ru/blog/Kia-Ceed-2018

Ссылка на основную публикацию