Содержание
На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.
🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроены бензиновые и дизельные двигатели".
Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля
В отличие от бензинового двигателя, при такте "впуск" в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта "сжатие" воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.
Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.
Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей
На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.
• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6
Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.
ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.
В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.
Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт.
Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.
В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.
Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.
По частоте вращения ДВС разделяются на: малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 об/мин, которые непосредственно приводят в движение судовой движитель; среднеоборотные – 300-600 об/мин, которые приводят в движение судовой движитель через редуктор.
До конца 60-х гг на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса ДВС использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования.
В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.
Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).
Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.
Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.
Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.
Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.
При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.
Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.
Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.
Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.
Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.
Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.
Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.
В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.
Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.
При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.
Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.
В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.
Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.
При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.
Принцип действия 4-тактного дизеля.
Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.
Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.
Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом – от 5,89 до 7,85 МПа.
Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.
Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.
4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.
Принцип действия 2-тактного дизеля.
В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.
1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.
Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.
Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.
Во время 2-го такта – рабочего (или расширения) – расширяющиеся газы совершают механическую работу.
В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.
Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.
Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.
Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.
Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.
Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.
Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.
Принцип действия газотурбинного нагнетателя.
1 – турбина, работающая на отработавших газах; 2 – отработавшие газы; 3 – свежий воздух; 4 – компрессор; 5 – коленчатый вал; 6 – цилиндр; 7 – поршень.
Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.
В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.
Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: а – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b – одновременно происходит сжатие и всасывание; с – рабочий такт и предварительное сжатие; d – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.
2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.
Диаметр цилиндров больших 2-тактных дизелей достигает 1000 мм, ход – 1500-2000 мм.
Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.
В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.
2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.
Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.
4-тактный дизель (рядный двигатель).
1 – наддувочный агрегат; 2 – охладитель наддувочного воздуха; 3 – трубопровод отработавших газов; 4 – трубопровод наддувочного воздуха; 5 – трубопровод охлаждающей воды; 6 – масляный трубопровод; 7 – топливный трубопровод; в – распределительный вал; 9 – приводное колесо; 10 – промежуточные шестерни; 11 – приводное колесо коленчатого вала; 12 – коленчатый вал; 13 – шатун; 14 – поршень; 15 – цилиндровая гильза; 16 – камера охлаждающей воды; 17 – крышка цилиндра; 18 – выпускной клапан; 19 – впускной клапан; 20 – топливный клапан; 21 – штанга; 22 – топливный насос; 23 – маслораэбрызгивающее кольцо; 24 – масляная ванна картера; 25 – станина двигателя; 26 – блок цилиндров.
Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:
– увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
– уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
– уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.
4-тактный дизель V-образной конструкции.
1 – поршень; 2 – цилиндровая гильза; 3 – коленчатый вал.
Преимущества четырёхтактных двигателей
- Б́ольшая экономичность
- Более чистый выхлоп (экологически чище)
- Не требуется сложная выхлопная система
- Меньший шум, вибрация
- Отсутствие необходимости постоянного контроля уровня масла
Преимущества двухтактных двигателей
- Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения
- Б́ольшая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма
- Проще и дешевле в изготовлении
- Меньший вес
Устройство и принцип работы четырёхтактного двигателя и двухтактного двигателя
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.
Поршень – металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Пoршень снабжен металлическим стержнем – пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
1. Впуск – четырёхтактный двигатель
В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, – в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие – четырёхтактный двигатель
Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) – четырёхтактный двигатель
Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.
4. Выпуск – четырёхтактный двигатель
После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.
Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.
 |
Четырехтактный двигатель скутера: |
1 – цилиндр с головкой
2 – крышка головки цилиндра
3 – карбюратор
4 – впускной патрубок
5 – электростартер.
Для ещё большей наглядности посмотри видеоролик, наглядно показывающий работу четырёхтактного двигателя. На этом видео демонстрируется автомобильный четырёхцилиндровый шестнадцатиклапанный (то есть, в каждом цилиндре по два впускных и выпускных клапана, для лучшей продувки) двигатель, однако сути это не меняет.
