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 V_c;

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

- объем, описываемый поршнем между мертвыми точками, кото­рый называется рабочими объемом цилиндра и обозначается V_s.

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:

φ₀ — угол опережения открытия впускного кла­пана; φ_з — угол запаздывания закрытия впуск­ного клапана; φ_в — угол опережения открытия выпускного клапана; φ_к — угол запаздывания закрытия выпускного клапана; φ_т — угол опе­режения впрыска топлива; φ₀+φ_к — 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;

- систему смазывания;

- систему охлаждения;

- систему пуска;

- систему управления;

- систему регулирования.

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 φ_з, равным 10-30° поворота вала после НМТ (см. рис. 2, в).

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 φ_т, 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 φ_в = 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 φ_к = 10-30° за ВМТ. Сумма двух углов φ₀ + φ_к 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).