Двигатели внутреннего сгорания тракторов и автомобилей

2.1. Основы теории двигателей внутреннего сгорания

2.1.1. Принцип работы и классификация двигателей

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является тепловой ма­шиной, превращающей тепловую энергию газов, полученную при сгорании топлива, в механическую энергию. Такое название дви­гателя связано с тем, что процессы сгорания топлива и превра­щения тепловой энергии газообразных продуктов сгорания в ме­ханическую энергию происходят внутри его цилиндров.

Принципиальная схема работы тепловой машины показана на рис. 2.1. В цилиндре 1 находится газ 2, объем которого ограничен стенками и днищем цилиндра, а также поршнем 3, имеющим возможность перемещаться вдоль оси цилиндра. В условии равно­весия поршень неподвижен, если сила его действия Р, Н, и сила давления газа P_i МПа, равны, т.е.

Р = P_iF,

где F — площадь днища поршня, мм²

Рис. 2.1. Принципиальная схема работы тепловой машины: 1 — цилиндр; 2 — газ; 3 — поршень; Q₁ — подводимая теплота; Q₂— отводимая теплота; S — ход поршня; P_i — давление газа; Р — сила, действующая на поршень

Сгорание топлива в газообразном состоянии сопровождается выделением теплоты Q₁ которая при расчете работы машины рассматривается как подводимая теплота. Так как процесс горе­ния происходит в ограниченном объеме цилиндра, давление га­зообразных продуктов сгорания резко повышается, и под действием увеличенного давления поршень будет перемещаться до достижения нового состояния равновесия на расстояние S, м, называемое ходом поршня, пока сила давления газов вновь не станет равна p_iF, т.е. силе действия Р. Газы при этом совершили работу, Дж, которую можно также оценить в единицах механи­ческой работы, Н м:  А = PS.

Температура газов при этом снижается, т.е. для совершения работы тепловая машина должна затратить некоторое количество теплоты Q₂. В результате охлаждения газа его давление уменьшает­ся, и поршень возвращается в первоначальное положение. Таким образом, тепловая машина совершила один цикл работы.

Далее при сжигании следующей порции топлива такие же циклы повторяются, т.е. машина работает. При расчете работы тепловой машины за один цикл используется количество теплоты  ΔQ, Дж, равное эквивалентно совершенной работе А:

ΔQ = Q₁ — Q₂ = A = PS  

Коэффициент полезного действия (КПД) такой тепловой машины

Из этого соотношения следует, что для работы тепловой ма­шины необходимо во время каждого цикла отводить некоторое количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива, а также, что КПД машины всегда меньше единицы.

Приведенная схема и принцип работы тепловой машины явля­ются теоретическими, так как в них не учитывается изменение внутренней энергии газа, а показывается только внешняя работа. При расчете КПД и работы реальных дви­гателей процесс превращения тепловой энергии в механическую энергию учиты­вается более полно, но в принципе под­ходы к расчету идентичны.

На рис. 2.2 приведена принципиальная схема четырехтактного ДВС. В процессе работы двигателя поршень совершает прямолиней­ное возвратно-поступательное движение в цилиндре между двумя крайними положениями, которые называются мертвыми точками.

Рис. 2.2. Принципиальная схема четырехтактного двигателя внутреннего сгорания: 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 — головка цилиндров; ВМТ, НМТ — соответственно верхняя и нижняя мертвые точки положения поршня; S — ход поршня; d— диаметр цилиндра; r — радиус коленчатого вала; Vс, V_h, Vа — соответственно объем камеры сгорания, рабочий объем цилиндра и полный объем цилиндра

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — точка, в которой расстояние между осью поршневого пальца и осью коленчатого вала наи­большее.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — точка, в которой расстояние между осью поршневого пальца и осью коленчатого вала наи­меньшее. Точки получили название «мертвых», потому что при нахождении в них поршня шатун и кривошип коленчатого вала оказываются на одной линии, и ни давлением газов, ни силами инерции, действующими на поршень, он не может быть выведен из этих точек, а выводится только с помощью кинетической энер­гии вращающегося маховика коленчатого вала.

Процесс, совершаемый в цилиндре за один ход поршня при его перемещении от одной мертвой точки до другой, называется тактом.

Ход поршня S — расстояние между ВМТ и НМТ. Внутреннее пространство цилиндра (его полный объем) складывается из двух объемов. Рабочий объем цилиндра V_h — пространство, которое ос­вобождается поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ.

Когда поршень находится в ВМТ, над ним имеется то наи­меньшее пространство, которое называется объемом камеры сго­рания V_c, поскольку в нем происходит основное сгорание топлива.

Полный объем цилиндра V_a — это суммарный рабочий объем V_h и объем камеры сгорания V_с, дм³:

V_a = V_h + V_с

Для поддержания горения в камеру сгорания цилиндра должен периодически подаваться так называемый свежий заряд, который в зависимости от типа двигателя представляет собой либо смесь топлива и воздуха (бензиновые и газовые двигатели), либо воздух (дизели). В объеме цилиндра свежий заряд смешивается с остаточ­ными отработавшими газами и образуется рабочая смесь.

Важнейшим параметром ДВС является степень сжатия ε ра­бочей смеси как отношение полного объема цилиндра V_а к объему камеры сгорания V_с:

Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. От степени сжа­тия существенно зависит качество сгорания топлива в цилиндре, т.е. количество выделившейся теплоты и, как следствие, совер­шенная механическая работа. Чем выше степень сжатия е, тем эффективнее работает двигатель. Ограничение степени сжатия бен­зиновых двигателей связано с опасностью возможного явления детонации. Для дизелей ограничение степени сжатия вызывается в первую очередь нагруженностью деталей кривошипно-шатун­ного механизма, усложнением пуска двигателя, затруднениями с обеспечением надежного уплотнения надпоршневого простран­ства цилиндров, прогрессивным повышением потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме (КШМ).

Для современных ДВС величина степени сжатия ε составляет:

Бензиновые ДВС……………………… 6,5… 11,0 (13,0 с непосредствен­ ным впрыском)

Газовые ДВС…………………………… 6… 10

Дизели:

без наддува………………………….. 15… 22

с наддувом…………………………… 11… 16

Принцип работы реального ДВС заключается в следующем. В ре­зультате воспламенения и сгорания рабочей смеси образуются га­зообразные продукты сгорания, нагретые до высокой температу­ры, в результате чего существенно увеличивается их объем, и пор­шень перемещается из ВМТ в НМТ, выполняя механическую ра­боту. В процессе расширения газов поршень совершает рабочий ход, когда давление газов через поршень передается на криво­шипно-шатунный механизм, т.е. поступательное движение порш­ня превращается во вращательное движение коленчатого вала. Ра­бота ДВС состоит из рабочих циклов.

Рабочий цикл ДВС — периодически повторяющаяся совокуп­ность последовательных тактов, совершающихся в цилиндре, в течение которых происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую энергию.

По способу осуществления рабочего цикла, т.е. по способу преоб­разования тепловой энергии в механическую, ДВС разделяются на следующие основные группы:

поршневые двигатели, у которых процесс сгорания топлива про­исходит в надпоршневом пространстве цилиндра, а тепловая энер­гия образовавшихся газов превращается в механическую энергию при помощи кривошипно-шатунного механизма;

газотурбинные двигатели, у которых сгорание топлива проис­ходит в камере сгорания, а преобразование тепловой энергии га­зов в механическую энергию — в газовой турбине;

комбинированные двигатели, у которых процесс сгорания топли­ва происходит в поршневом двигателе, а дополнительное преобра­зование тепловой энергии в механическую — в газовой турбине;

роторные двигатели, у которых процесс сгорания топлива про­исходит в пространстве, ограниченном поверхностями ротора и статора, а преобразование тепловой энергии в механическую про­исходит с помощью ротора, совершающего вращательное движение.

На современных машинах применяются в основном поршне­вые ДВС и частично комбинированные дизели с газотурбинным наддувом.

В основе классификации поршневых ДВС лежат следующие ос­новные признаки:

применяемое топливо — двигатели легкого жидкого топлива (кар­бюраторные и с впрыском бензина); тяжелого жидкого топлива (дизели); газообразного топлива (газовые); многотопливные с использованием как легких, так и тяжелых жидких топлив;

способ смесеобразования — двигатели с внешним смесеобразо­ванием, в которых в цилиндры поступает горючая смесь, приго­товленная в карбюраторе, в смесителе (газовые ДВС) или во впуск­ном трубопроводе (ДВС с впрыском бензина); с внутренним сме­сеобразованием, у которых во время впуска в цилиндры поступа­ет воздух, а рабочая смесь образуется при впрыске топлива в ци­линдр (дизели, многотопливные и с непосредственным впрыс­ком бензина);

способ воспламенения рабочей смеси — двигатели с принудитель­ным воспламенением при помощи электрической искры (карбю­раторные, газовые, с впрыском бензина); с воспламенением от сжатого воздуха (дизели и многотопливные);

число тактов, или ходов поршня, за которые осуществляется ра­бочий цикл, — двух- и четырехтактные двигатели, у которых ра­бочий цикл осуществляется соответственно за один и два оборота коленчатого вала;

способ охлаждения — двигатели жидкостные и воздушные;

расположение цилиндров — двигатели рядные с горизонтальным или вертикальным расположением цилиндров; двухрядные, или V-образные; оппозитные; звездообразные;

число цилиндров — двигатели могут быть от одно- до двенадца­тицилиндровых.

В современной автотракторной технике в основном применя­ются четырехтактные с жидкостным охлаждением дизели и бен­зиновые двигатели с рядным вертикальным и V-образным распо­ложением цилиндров. Число цилиндров колеблется от четырех до двенадцати. При этом бензиновые двигатели преимущественно устанавливаются на легковых автомобилях или используются в качестве пусковых на тяжелых дизелях.

Рабочий цикл четырехтактного ДВС совершается за четыре хода поршня, называемых тактами.

На первом такте — впуске (рис. 2.3, а) — поршень движется из ВМТ в НМТ при открытом впускном клапане, через который за счет образующегося разрежения в цилиндр поступает свежий за­ряд, образующий с остаточными газами рабочую смесь.

Рис. 2.3. Схемы работы четырехтактного двигателя: а — впуск; б — сжатие; в — расширение (рабочий ход); г — выпуск; 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5, 9 — впускной и выпускной трубопроводы; 6, 8 — впускной и выпускной клапаны; 7 — форсунка или свеча зажигания; → — движение газового потока; —→ — движение коленчатого вала и ход поршня

В бензиновом двигателе свежий заряд — это горючая смесь па­ров бензина и воздуха; в газовом двигателе — это горючая смесь газа и воздуха; в дизеле — чистый воздух.

На втором такте — сжатии (рис. 2.3, б) — поршень движется из НМТ в ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах, и рабочая смесь сжимается.

Когда поршень находится вблизи ВМТ в бензиновом и газовом двигателях происходит принудительное воспламенение сжатой рабочей смеси от энергии электрического искрового разряда, и быстрое ее сгорание с увеличением объема газов. В дизеле в сжа­тый и разогретый до высокой температуры воздух, смешанный с остаточными газами, впрыскивается тонко распыленное дизель­ное топливо, после чего происходит его самовоспламенение и сгорание с увеличением объема газов.

На третьем такте — расширении (рис. 2.3, в) — образовавшиеся при сгорании топлива газы, имея высокие температуру и давле­ние, воздействуют при закрытых клапанах на днище поршня и перемещают его из ВМТ в НМТ, т.е. совершают механическую работу (именно поэтому третий такт называется также рабочим ходом).

На четвертом такте — выпуске (рис. 2.3, г) — поршень движет­ся из НМТ в ВМТ при открытом выпускном клапане, через кото­рый поршень при движении выталкивает отработавшие газы, еще обладающие некоторым запасом тепловой энергии.

Далее с поступлением свежего заряда рабочий цикл повторя­ется. Таким образом, рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Последовательность тактов рабочих циклов ДВС принято изоб­ражать графически в координатах давление р — объем V, т.е. в виде зависимости давления газа в надпоршневом пространстве цилиндра от объема газа, равного рабочему объему цилиндра, за цикл. Такая диаграмма получается в процессе измерения давления в цилиндре с помощью специального прибора — индикатора, и называется поэтому индикаторной диаграммой.

Индикаторная диаграмма дает возможность объективно судить о протекании рабочего цикла ДВС, о качестве сгорания топлива и превращении выделившейся тепловой энергии в механическую. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, со­вершаемой в цилиндре газами, поэтому по ее величине и числу циклов в единицу времени определяют индикаторную мощность, развиваемую газами внутри цилиндра.

По способу преобразования теплоты в механическую энергию поршневые ДВС в определенной степени приближаются к теоре­тическим (идеальным) циклам. Близкими к реальным циклам ДВС являются теоретические теплотехнические циклы подвода тепло­ты к газу, в частности цикл с подводом теплоты при постоянном объеме газа, цикл с подводом теплоты при постоянном давлении газа, а также смешанный цикл.

Теоретический цикл с подводом теплоты Q₁ к газу при посто­янном объеме, показанный на рис. 2.4, а, близок к реальному циклу бензиновых ДВС.

Рис. 2.4. Индикаторные диаграммы теоретических циклов: а — с подводом теплоты к газу при постоянном объеме; б — с подводом теплоты к газу при постоянном давлении; в — смешанный цикл с подводом теплоты к газу вначале при постоянном объеме (участок cz'), а затем при постоянном давлении (участок z'z); Р — давление газа в надпоршневом пространстве; V— объем, занимаемый газом; Q^'₁— теплота, подводимая при постоянном объеме; Q"₁ — теплота, подводимая при постоянном давлении; Q₂ — отводимая теплота; Vс, V_h, V_a — соответственно объем камеры сгорания, рабочий объем цилиндра и полный объем цилиндра; ас — процесс сжатия (а, с — точки начала и конца сжатия); z' — начало расширения при постоянном давлении у дизеля; zb — процесс расширения (z, b — точки начала и конца расширения)

Также близок к реальному циклу тихоходного дизеля (n = 300…400 мин^-1) теоретический цикл с подводом теплоты Q₁ к газу при постоянном давлении, показанный на рис. 2.4, б.

На рис. 2.4, в приведен смешанный теоретический цикл, т.е. цикл с подводом к газу вначале теплоты Q^'₁ при постоянном объеме газа (участок cz диаграммы), а затем теплоты Q^''₁ при постоянном давлении (участок z’z)- Такой цикл близок к реальному циклу бы­строходного дизеля.

Сравнение рабочих циклов реальных ДВС с теоретическими циклами показывает степень их совершенства. В теоретических циклах не учитывается ряд тепловых потерь, поэтому площадь индикаторной диаграммы реального ДВС всегда меньше площади индикаторной диаграммы теоретического цикла. Эта разница по­казывает резерв совершенствования реальных двигателей.

На рис. 2.5 жирными линиями показаны индикаторные диа­граммы реальных четырехтактных циклов бензинового двигателя (рис. 2.5, а) и дизеля (рис. 2.5, б), оци наложены на соответству­ющие диаграммы теоретических циклов (показаны тонкими линиями). Эти циклы можно представить в виде следующих основ­ных чередующихся и частично перекрывающих один другой про­цессов (см. рис. 2.5, а, б): впуска (га), сжатия (ас), сгорания (cz), рабочего хода (расширения) (zb) и выпуска (bг).

Рис. 2.5. Индикаторные диаграммы реальных четырехтактных циклов: а — бензинового двигателя; б — дизеля; 1,3 — моменты открывания и закрывания впускного клапана; 2 — момент закрывания выпускного клапана; р — давление газа; V — объем, занимаемый газом; Vс, V_h V_a, — соответственно объем камеры сгорания, рабочий объем цилиндра и полный объем цилиндра; ВМТ, НМТ — соответственно верхняя и нижняя мертвые точки положения поршня; P₀— давление атмосферного воздуха; b' — начальный момент открывания выпускного клапана (начало выпуска); r — начало впуска; а — начало сжатия; с' — момент зажигания или начала сгорания топлива в дизеле; с" — момент впрыска топлива; с — конец сжатия; z' z— расширение при постоянном давлении у дизеля; z — начало расширения при изменяющемся давлении; b — конец расширения

Однако реально процесс впуска начинается в конце такта вы­пуска около ВМТ перед точкой г (на диаграммах показано точ­кой 1 открывание впускного клапана) и заканчивается при за­крывании впускного клапана (показано точкой 3). Процесс сжатия 

заканчивается в точке с' момент воспламенения. Затем начина­ется процесс сгорания, который заканчивается после прохождения поршнем ВМТ (на линии расширения zb). Процесс расширения за­канчивается в точке b' и начинается процесс выпуска в момент открывания выпускного клапана. Процесс выпуска заканчивается после прохождения поршнем ВМТ, т.е. за точкой r (на диаграммах точкой 2 показан момент закрывания выпускного клапана). Период времени между точками 1, r и 2 выпускной и впускной клапаны одновременно открыты, это так называемый период перекрытия кла­панов, предназначенный для лучшего очищения цилиндра от отработавших газов, а поступающий в это время свежий заряд также способствует лучшему очищению цилиндра, выталкивая отрабо­тавшие газы и увеличивая тем самым наполнение цилиндра.

Механическую работу, совершаемую газами в цилиндре двига­теля за один цикл, можно определить по разности площадей фи­гур aczb и bra. Площадь фигуры aczb является положительной, а фигуры bra — отрицательной, так как ее величина пропорцио­нальна работе, затрачиваемой на преодоление сопротивлений при выпуске и впуске.