Цориев С. О. - Северо-Кавказский горно

С. О. Цориев, Л. И. Кортиев
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Учебно-методическое пособие
к практическим занятиям
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки
190700.62 «Технология транспортных процессов»
профиль «Организация и безопасность движения»
Владикавказ 2014
0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Кафедра «Организация и безопасность дорожного движения»
С. О. Цориев, Л. И. Кортиев
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Учебно-методическое пособие
к практическим занятиям
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки
190700.62 «Технология транспортных процессов»
профиль «Организация и безопасность дорожного движения»
Допущено
редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета).
Протокол заседания РИСа № 26 от 17.12.2013 г.
Владикавказ 2014
1
УДК 620.9(075.8)
ББК 31я73
Ц81
Рецензент:
доктор технических наук, профессор
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета)
Царикаев В. К.
Ц81
Цориев С. О.
Транспортная энергетика: Учебно-методическое пособие к
практическим занятиям для студентов, обучающихся по направлению подготовки 190700.62 «Технология транспортных процессов»
профиль «Организация и безопасность дорожного движения» / С.
О. Цориев, Л. И. Кортиев; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет).
– Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2014. – 31 с.
В учебно-методическом пособии приведены общие методические указания для выполнения работ на практических занятиях по дисциплине
«Транспортная энергетика» (порядок составления отчета и оформления
титульного листа), а также содержание четырех работ, целью написания
которых является облегчение процесса усвоения учебного материала студентами при изучении таких вопросов, как: классификация и устройство
двигателей внутреннего сгорания (ДВС), принцип работы двигателей,
термодинамические процессы в каждом такте цикла в цилиндрах в процессе работы ДВС, индикаторные термодинамические диаграммы четырехтактных двигателей (бензиновых и дизельных), фазы газораспределения в ДВС.
УДК 332.8
ББК 65.9(2)444+65.042
Редактор: Хадарцева Ф. С.
Компьютерная верстка: Куликова М. П.
 ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский
горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)», 2014
 Цориев С. О., Кортиев Л. И., 2014
Подписано в печать 11.04.2014. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура
«Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,8. Тираж 50 экз. Заказ №
.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Издательство «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ПО ПРЕДМЕТУ
«ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»
Перед выполнением работы студенты представляют письменный
отчет о проведенной подготовке к занятию в аудитории, основная
цель которого – научить студентов работать с учебной литературой,
изучить в общих чертах принципиальные схемы систем и механизмов
двигателей на основании описания и чертежей, приводимых в литературе и на плакатах. Кроме того, при написании отчета вырабатываются навыки работы со справочной литературой, накапливаются знания
по техническим характеристикам автомобилей и их агрегатам, совершенствуются навыки в решении практических задач.
Изучение агрегатов или механизмов должно начинаться с выяснения их функционального назначения, устройства и принципа работы. Ознакомившись с устройством механизма, следует разобраться в
его работе на различных режимах (при включенном и выключенном
состоянии и др.), проследить за всеми механическими связями между
отдельными элементами (деталями), за передачей крутящего момента
от одной детали к другой, запомнить название основных деталей.
Кроме того, надо научиться оценивать максимальные и минимальные
численные значения основных физических величин в единицах СИ
(скорость перемещения, частота вращения, сила тяги, крутящий
момент силы, давление, температура, производительность, мощность
и т. д.).
В процессе выполнения практической работы, студенты закрепляют знания, полученные при самостоятельном изучении устройства и
работы агрегатов, механизмов, систем и т. п. При необходимости студенты производят разборку изучаемого узла, агрегата или механизма и
изучают составляющие его элементы.
После выполнения каждой работы студенты обязаны персонально
отчитаться по ней преподавателю.
Порядок составления отчета по практической работе
Отчитываться можно только по работам, заданным на день занятия и только при наличии соответствующего письменного отчета.
Студенты в течение 10 минут после начала занятия могут получить
консультации у преподавателя по вопросам, возникшим в процессе
выполнения письменного отчета. По истечении 10 минут, все пись3
менные отчеты сдаются преподавателю для проверки. Далее студенты
при участии преподавателя изучают заданный материал, используя
наглядные пособия и плакаты. За 30 минут до окончания занятия проводится опрос по выполненной работе.
Опрос проводится в устной или письменной форме (по усмотрению преподавателя). В ходе опроса преподаватель может задать вопросы, содержащиеся в заданиях для самостоятельного изучения (в
рамках изучаемого материала). По результатам опроса и при наличии
письменного отчета установленной формы, студент получает зачет.
Образец титульного листа отчета приводится ниже.
Пропущенные (не выполненные) занятия по практическим работам студенты выполняют во время дополнительных занятий. Время
для дополнительных занятий назначается преподавателем.
4
Образец титульного листа
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Кафедра «Организация и безопасность дорожного движения»
Отчет
по практической работе №
«________________________________________________________
(название работы)
________________________» по предмету «Транспортная энергетика»
Выполнил студент группы______________________________________
фамилия, инициалы
Принял
_______________________________________________________
Дата
5
Работа № 1
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И УСТРОЙСТВО
ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Цель работы: изучение устройства двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Задачи работы:
1.1. Запомнить назначение двигателей.
1.2. Изучить классификацию двигателей.
1.3. Получить общее представление о конструкции ДВС, его основных элементах и основных параметрах поршневого двигателя.
Наглядные пособия и оборудование, необходимые для выполнения работы: плакаты по двигателям внутреннего сгорания, макет
ДВС, головка блока цилиндров, цилиндр, поршень, поршневые кольца и поршневой палец.
1.1 Назначение двигателей
Двигатель – энергосиловая машина, преобразующая какой-либо
вид энергии в механическую работу. На большинстве современных
автомобилей установлены поршневые двигатели, называемые двигателями внутреннего сгорания. В них теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах, преобразуется в механическую работу,
вследствие чего их называют и тепловыми двигателями. Двигатель
является источником механической энергии и он необходим человеку
для приведения автомобиля в движение через движитель. Движитель
– это техническое устройство, которое преобразует энергию, получаемую от двигателя, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Процесс движения осуществляется путем взаимодействия
движителя с внешней средой. Движитель является частью транспортного средства: в автомобиле – это колесо, в тракторе – колесо с гусеницей (гусеничный движитель), у судов – гребное колесо (или гребной винт).
1.2 Классификация двигателей
Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются
по различным признакам:
1. По назначению (транспортный или стационарный);
6
2. По способу осуществления рабочего цикла (четырёхтактный
или двухтактный);
3. По способу смесеобразования (с внешним или внутренним
смесеобразованием);
4. По способу воспламенения рабочей смеси (с принудительным
воспламенением от электрической искры или с самовоспламенением).
Кроме того они классифицируются: по виду применяемого топлива (бензиновые, газовые, дизельные), по числу цилиндров (одноцилиндровые, многоцилиндровые – 2-х, 3-х, 4-х, 6-и и восьмицилиндровые), по расположению цилиндров в пространстве (с вертикальным,
горизонтальным или другим расположением), по способу наполнения
цилиндров свежим зарядом (без наддува или с наддувом), по способу
охлаждения (с жидкостным или воздушным охлаждением).
Двигатели с внешним смесеобразованием называются карбюраторными, так как смесеобразование (приготовление смеси) происходит
вне цилиндра в карбюраторе. В дизельных двигателях (в дизелях)
смесеобразование происходит непосредственно внутри цилиндра.
1.3 Устройство двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
1.3.1 Конструкция ДВС и его основные элементы
Конструкция ДВС модификации ВАЗ 2106 представлена на
рис. 1.1. Данный двигатель является четырехцилиндровым (по числу
цилиндров) с вертикальным расположением цилиндров в один ряд
параллельно друг другу.
Рисунок 1.1 – Внешний вид двигателя автомобиля ВАЗ-2106 в разрезе.
7
Для большей доходчивости материала вначале рассмотрим одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания и
изучим принцип его работы (рис. 1.2).
Основными элементами
ДВС являются: головка цилиндра
(1), цилиндр (2), поршень (3),
поршневые кольца (4), поршневой палец (5), шатун (6), коленчатый вал (7), маховик (8), кривошип (9), распределительный
вал (10), кулачок распределительного вала (11), рычаг (12),
клапан (13), свеча зажигания
(14). Главными частями одноцилиндрового карбюраторного двигателя являются цилиндр с
укрепленной на нем съемной гоРисунок 1.2 – Одноцилиндровый
ловкой и поршень. Все термодидвигатель внутреннего сгорания
намические процессы, происхов разрезе.
дящие в рабочем теле, происходят в пространстве, ограниченном поршнем, цилиндром и головкой
цилиндра. На рис. 1.3 показан поршень. Если сравнивать элементы
автомобиля с предметами, которые всем хорошо известны, то цилиндр (2) вместе с головкой похож на обыкновенный металлический
стакан, перевернутый вверх дном.
Внутрь цилиндра помещен еще
один перевернутый вверх дном стакан
меньшего диаметра, который является
поршнем и движется внутри цилиндра
возвратно-поступательно. Направления
движения поршня показаны стрелками
на рис. 1.2. Процесс сгорания топливовоздушной смеси происходит в цилиндре над поршнем. На поршне в специальных канавках находятся поршневые
кольца (4), которые плотно прилегают
к внутренней поверхности цилиндра
(зеркальной поверхности) и в процессе
Рисунок 1.3 – Поршень
с отверстиями
работы скользят по зеркальной попод поршневой палец.
верхности параллельно его оси, совер8
шая возвратно-поступательное движение вместе с поршнем. Поршневые кольца (компрессионные) устанавливаются на поршень для того,
чтобы образующиеся над поршнем в процессе работы двигателя газы
не прорывались вниз. Кроме того на поршни устанавливаются и маслосъемные кольца, которые препятствуют попаданию масла внутрь
цилиндра. С помощью поршневого пальца (5) и шатуна (6) поршень
соединен с кривошипом коленчатого вала. Шатун и кривошип образуют кривошипно-шатунный механизм, который преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого
вала, на конце которого жестко закреплен массивный маховик. Коленчатый вал вращается в подшипниках, установленных в картере двигателя.
Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь
(смесь воздуха с бензином), а через выпускной клапан выходят отработавшие газы. Распределительный вал 10 с кулачками 11, который
приводится во вращение от коленчатого вала двигателя, обеспечивает
периодическое открывание впускного и выпускного отверстий с помощью клапанов (13). Клапаны открывают отверстия в момент нажатия на них рычажками 12 при набегании и надавливании на рычажки
кулачков распредвала. При сбегании кулачков с рычагов клапаны (13)
резко закрываются под воздействием мощных пружин.
В резьбовое отверстие головки цилиндра ввернута свеча зажигания (14), между электродами которой периодически проскакивает
электрическая искра, способствующая воспламенению рабочей смеси
(горючей смеси).
1.3.2 Основные параметры поршневого двигателя
На рисунке 1.4 показаны некоторые параметры цилиндра и
поршня, которые используются для оценки рабочего объема двигателя. Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от
оси коленчатого вала или приближен к ней, называются соответственно верхней и нижней мертвыми точками.
Верхняя мёртвая точка (ВМТ) – это крайнее верхнее положение
поршня, где скорость движения поршня равна нулю. В этой точке
поршень наиболее удалён от оси коленчатого вала.
Нижняя мёртвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение
поршня, где скорость движения поршня также равна нулю. В этой
точке поршень наиболее приближён к оси коленчатого вала. В НМТ и
ВМТ поршень после кратковременной остановки меняет направление
движения на обратное.
9
Ход поршня (S) – это расстояние между мёртвыми точками, проходимое поршнем в теченtи одного такта рабочего цикла двигателя.
Рабочий объём цилиндра (Vр) – объём, освобождаемый поршнем
при его перемещении от ВМТ до НМТ. Он равен ходу поршня, умноженному на площадь поперечного сечения полости цилиндра, то есть
рабочий объём цилиндра:
Vp = SD2 / 4,
где S – полный ход поршня; D – внутренний диаметр цилиндра;
π = 3,14.
а
б
Vc –
Vp –
Рисунок 1.4 – Ход поршня и объемы цилиндра двигателя^
а) поршень в нижней мертвой точке, б) поршень в верхней мертвой точке.
Объём камеры сгорания (Vс) – это объём пространства над поршнем, находящимся в ВМТ.
Полный объём цилиндра (Va) – объём пространства над поршнем,
находящимся в НМТ:
Va = Vр + Vс.
Рабочий объём (литраж) двигателя – сумма рабочих объёмов
всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах.
10
Тактом ДВС называется завершенный процесс перемещения
поршня внутри цилиндра от одной мёртвой точки до другой.
Степень сжатия () – отношение полного объёма цилиндра к
объёму камеры сгорания, т. е.:
ε = Va / Vс.
Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается смесь в
цилиндре двигателя при ходе поршня из НМТ в ВМТ (во сколько раз
полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания). ε – величина безразмерная.
При повышении степени сжатия увеличивается мощность двигателя и улучшается его экономичность. Однако повышение степени
сжатия ограничено качеством применяемого топлива и нагрузками на
детали двигателя. При увеличении степени сжатия увеличиваются
нагрузки на детали двигателя.
Степень сжатия для бензиновых двигателей современных легковых автомобилей составляет 8…10. При таких степенях сжатия в бензиновых двигателях не может происходить самовоспламенение рабочей смеси, так как температура сжатого газа не более 300…400 С.
Степень сжатия в дизелях составляет 15…22, а температура сжатого
воздуха достигает 700 С, поэтому в них при подаче топлива в цилиндр происходит самовоспламенение горючей смеси. Это достаточно высокая температура. При такой температуре нагретая стальная
болванка накалена докрасна (приобретает цвет красного каления).
Вопросы для самопроверки
1. Что принято называть двигателем, а что – движителем?
2. Назначение и классификация двигателей.
3. Основные элементы конструкции ДВС.
4. Что принято называть верхней и нижней мертвыми точками
ДВС?
5. Что принято называть ходом поршня?
6. Что собой представляет рабочий объём цилиндра?
7. Объём камеры сгорания, полный объём цилиндра, рабочий
объём (литраж) двигателя.
8. Что называют тактом ДВС?
9. Что такое степень сжатия и в каких единицах измеряется?
10. Что такое компрессия и в каких единицах измеряется?
11
Работа № 2
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Цель работы: изучение принципа работы двигателей внутреннего сгорания и физических процессов, происходящих в них.
Задачи работы:
2.1. Изучение принципа работы четырехтактного двигателя, работающего на бензине.
2.2. Изучение особенностей работы четырехтактного двигателя,
работающего на дизельном топливе.
2.3. Изучение работы двухтактного двигателя.
2.1 Изучение принципа работы четырехтактного двигателя
внутреннего сгорания, работающего на бензине
Принцип работы ДВС основан на периодическом повторении рабочих циклов в каждом цилиндре двигателя. Рабочим циклом ДВС
называют совокупность физических процессов, которые в определённой последовательности периодически повторяются в цилиндре, в
результате которых двигатель непрерывно работает и вырабатывает
энергию. Рабочий цикл состоит из нескольких тактов, следующих
друг за другом. Тактом называют движение (ход) поршня от одной
мертвой точки до другой. В каждом такте происходит определенный
физический процесс (во втором – два процесса). Движение поршня
между мертвыми точками происходит с большой скоростью.
По числу тактов, составляющих рабочий цикл, двигатели делятся
на два вида:
– четырехтактные, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня;
– двухтактные, в которых рабочий цикл совершается за два хода
поршня.
На легковых автомобилях отечественного производства применяются четырехтактные двигатели, а на мотоциклах и моторных лодках – двухтактные.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов:
– впуск горючей (рабочей) смеси;
– сжатие рабочей смеси;
12
– рабочий ход;
– выпуск отработавших газов.
Горючей смесью называется смесь мелко распыленного бензина с
воздухом, которые смешиваются в определенной (заданной) пропорции. Приготовление (предварительная подготовка) смеси в бензиновых двигателях происходит в специальном устройстве, называемом
карбюратором. В карбюраторе смесь приготавливается в соотношении 1 : 15, то есть на один грамм бензина приходится 15 граммов воздуха. Теоретически для полного сжигания 1 г бензина достаточно
14,7 г воздуха, однако наиболее оптимальным с экономической точки
зрения является соотношение 1 : 15, то есть рекомендуется ездить на
слегка обедненной горючей смеси.
На рис. 2.1 представлена схема работы четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания.
В первом такте происходит быстрое перемещение поршня от
ВМТ (верхней мертвой точки) до НМТ (нижней мертвой точки). При
этом впускной клапан открыт. При движении поршня к НМТ объём
цилиндра над поршнем увеличивается, а давление в нем быстро падает и становится меньше атмосферного, то есть создается в нем некоторое разрежение воздуха. За счет этого разрежения внутрь цилиндра
поступает (всасывается) свежий заряд, называемый еще рабочей смесью или горючей смесью. Давление в коллекторе двигателя, как правило, равняется давлению атмосферного воздуха на уровне двигателя,
то есть барометрическому давлению.
а
б
в
г
Впускной клапан открыт
Оба клапана закрыты
Выпускной клапан открыт
Рисунок 2.1 – Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:
а) первый такт – впуск; б) второй такт – сжатие и сгорание топлива в конце
такта; в) третий такт – расширение газов (рабочий ход); г) четвертый такт –
выпуск отработавших газов.
13
Из-за перепада давления между барометрическим и давлением
внутри цилиндра происходит всасывание топливовоздушной смеси в
цилиндр. Уменьшение давления внутри цилиндра (разрежение) образуется из-за быстрого движения поршня от ВМТ до НМТ и относительно небольшого диаметра впускного отверстия. Процесс всасывания происходит точно так же, как в обычном насосе для подкачки
шин. Этот такт принято называть тактом впуска.
Вторым тактом принято называть обратное движение поршня
от НМТ к ВМТ, осуществляемое после такта впуска. Во втором такте
происходит сжатие поступившего в цилиндр топливовоздушного заряда. Этот такт принято называть тактом сжатия рабочей смеси. При
этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты и топливовоздушной смеси некуда вытекать, поэтому давление и температура смеси в
процессе сжатия повышаются. Из термодинамики известно, что любой газ в процессе сжатия нагревается. Энергия, затрачиваемая на работу по сжатию газа, переходит в тепловую энергию. Чем больше
сжат газ, тем выше его температура. При этом в цилиндре при сжатии
происходит не только нагрев газа, но и испарение паров топлива. Степень сжатия (см. работу № 1) для бензиновых двигателей современных легковых автомобилей составляет 8…10, а давление (компрессия)
при этом в камере сгорания доходит до 12 атм. При таких степенях
сжатия температура газа поднимается до 300…400 С. Однако при
таких значениях температур в ДВС не может происходить самовоспламенение смеси, поэтому необходима подача электрической искры
для принудительного воспламенения смеси ближе к концу такта сжатия. От искры, возникающей между электродами свечи зажигания,
происходит воспламенение рабочей смеси. В процессе горения топлива в результате химической реакции выделяется энергия топлива. Результатом быстрого сгорания рабочей смеси является образование
большого количества газов и, вследствие этого, резкое возрастание
давления в камере сгорания, которое начинает давить с огромным
усилием на поршень.
За каждый такт коленчатый вал поворачивается на половину оборота. В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота, а если считать от начала первого такта (от нуля градусов) и до окончания второго, то он поворачивается на
один оборот (на 360 градусов).
В бензиновых двигателях с принудительным воспламенением искра подается с некоторым опережением, то есть немного раньше, чем
поршень доходит до ВМТ. Однако эту величину принято измерять не
14
в секундах или миллиметрах, а в градусах угла поворота коленчатого
вала. Поэтому обычно говорят об угле опережения зажигания, имея в
виду начало зажигания горючей смеси в цилиндре двигателя до прихода коленчатого вала в нулевое положение (до поворота коленвала
на 360), соответствующее приходу поршня в ВМТ. Именно на этом
узком участке такта сжатия происходит сгорание топлива. (Этот вопрос будет рассмотрен более подробно несколько позднее).
В конце этого такта (к началу третьего такта) давление в цилиндре над поршнем, то есть в камере сгорания, достигает своего максимального значения. В этот момент сжатые газы (продукты сгорания
топлива) обладают потенциальной энергией, способной в процессе
расширения газов выполнить значительную работу по отталкиванию
поршня от ВМТ к НМТ, так как усилие, которое испытывает поршень,
измеряется тысячами килограммов.
В третьем такте – такте расширения – происходит резкое
движение поршня от ВМТ к НМТ за счет газов, стремящихся расшириться в цилиндре двигателя и, тем самым, достичь термодинамического равновесия в системе. В начале этого такта температура в цилиндре достигает более 2000 градусов по шкале Кельвина. Этот такт
принято называть рабочим тактом. В этом такте поршень быстро
движется вниз под воздействием давления, созданного продуктами
сгорания топлива. Давление газов на поршень достигает 4 МПа
(40 кг/см2 или 40 атм). При этом поршень испытывает усилие, равное
приблизительно 2000 кг в полном соответствии с термодинамикой
По мере движения поршня вниз и расширения (увеличения объема) газов давление в цилиндре понижается и, соответственно, понижается температура расширяющихся газов, что находится в полном
соответствии с законами термодинамики. В этом такте поступательное движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый
вал получает энергию, а массивный маховик, жестко закрепленный на
его конце (рис. 2.2), накапливает эту энергию. Таким образом в третьем такте происходит преобразование энергии, содержавшейся в топливе, в механическую работу – в энергию вращательного движения
коленвала и маховика. Остальные два такта были подготовительными
и осуществлялись за счет потребления энергии маховика.
Маховик – это массивный металлический диск, который крепится
на конце коленчатого вала двигателя. Во время рабочего хода поршень через шатун и кривошип передает свою энергию коленчатому
15
валу, раскручивает его и увеличивает запас энергии маховика (увеличивает силу инерции маховика).
Рисунок 2.2 – Коленчатый вал двигателя с маховиком:
1 – коленчатый вал двигателя; 2 – маховик с зубчатым венцом;
3 – шатунная шейка коленвала; 4 – коренная (опорная) шейка коленвала;
5 – противовес.
В четвертом такте опять происходит движение поршня от
НМТ к ВМТ, но уже после рабочего такта. Этот такт осуществляется
за счет энергии маховика (затрат энергии маховика). При этом выпускной клапан открыт и отработавшие газы удаляются в атмосферу,
поэтому такт называется тактом выпуска отработавших газов. В этом
такте происходит освобождение цилиндра от отработавших газов (вытеснение газов из цилиндра) для последующего наполнения цилиндра
свежим зарядом.
Таким образом, полезная механическая работа совершается двигателем только в третьем такте, поэтому движение поршня в этом такте называют рабочим ходом. Остальные три такта являются подготовительными (впуск, сжатие, выпуск) и совершаются за счет накопленной кинетической энергии вращающегося маховика (за счет сил инерции маховика).
2.2 Изучение особенностей работы четырехтактного двигателя
внутреннего сгорания, работающего на дизельном топливе
В работе № 1 мы уже говорили, что ДВС отличаются по способу
смесеобразования. Они могут быть с внешним или внутренним смесеобразованием. Рассмотренный выше бензиновый двигатель относится
16
к двигателям с внешним смесеобразованием (карбюраторным двигателям). Дизельные двигатели относятся к двигателям с внутренним
смесеобразованием. Главной особенностью работы дизельного двигателя (дизеля) является то, что топливо подается форсункой или насосфорсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под
большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия во втором
такте у таких двигателей значительна (15…22), поэтому давление в
форсунке должно быть выше давления внутри цилиндра. При подаче
дизтоплива в цилиндр, в котором сжатый воздух находится при температуре 700…900 С, происходит самовоспламенение топлива. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся
система зажигания.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя также состоит из четырех тактов.
Первый такт (впуск) служит для наполнения цилиндра двигателя воздухом. (Подчеркиваем, только воздухом). При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, происходит
всасывание воздуха через открытый впускной клапан так же, как и в
бензиновых двигателях, рассмотренных выше.
Второй такт – движение поршня от НМТ к ВМТ – (сжатие)
служит для подготовки к самовоспламенению дизельного топлива.
При движении поршня к верхней мертвой точке степень сжатия воздуха достигает 18…22 (у карбюраторных – только 8…10). В конце
такта сжатия температура поднимается, как сказано выше, до
700…900 С). В конце такта сжатия в камеру сгорания через форсунку
инжектора под давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. При
сгорании дизельного топлива в этом такте происходит резкое увеличение давления в цилиндре при практически постоянном объеме. При
этом сгорает большая часть топлива.
Инжекцией называется процесс непрерывного смешения двух
потоков веществ и передачи энергии инжектирующего (рабочего) потока инжектируемому. Смешиваемые потоки могут находиться в газовой, паровой, жидкой фазах, быть равнофазными или разнофазными.
Применяемые для инжекции струйные аппараты (насосы) называются инжекторами.
17
Третий такт (рабочий ход) служит для преобразования потенциальной энергии сгоревшего во втором такте и сгораемого в третьем
такте топлива в механическую работу. При этом возникает усилие,
которое резко перемещает поршень к нижней мертвой точке и через
шатун проворачивает коленчатый вал. В начале рабочего хода давление в цилиндре достигает 8 МДж (80 ат), а температура превышает
2000 К. Более подробно физические процессы, происходящие в третьем такте, рассмотрены ниже (в следующей работе).
Четвертый такт (выпуск отработавших газов) служит для
очищения цилиндра от отработавших газов. Поршень при движении
от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан.
В дизельном двигателе все механизмы и детали испытывают значительно большие нагрузки, чем в бензиновом (карбюраторном). Это
приводит к увеличению массы, размеров и стоимости двигателя. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества –
меньший расход топлива по сравнению с карбюраторными (приблизительно на 30 %), отсутствие системы зажигания, что значительно
уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации,
то есть увеличивает надежность автомашины.
Основные отличия дизельного двигателя от бензинового.
1. Топливо в дизельном двигателе воспламеняется не при помощи
электрической искры, а за счёт контакта топлива с воздухом, имеющим высокую температуру.
2. Регулировка крутящего момента и мощности двигателя осуществляется за счёт изменения качества смеси без изменения количества топливовоздушной смеси, поэтому в дизельном двигателе отсутствует дроссельная заслонка, регулирующая количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха. Это значит, что крутящий момент
изменяется количеством впрыскиваемого топлива без изменения объёма всасываемого воздуха.
2.3 Изучение рабочего цикла
двухтактного карбюраторного двигателя
Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у
них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших
газов – в конце хода расширения, то есть процессы выпуска и впуска
происходят без самостоятельных ходов поршня, как в четырехтакт18
ном. Общим процессом для всех типов двухтактных двигателей является продувка, то есть процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос).
Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с
продувкой цилиндра. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны,
их роль выполняет сам поршень, который при своем перемещении
закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна
цилиндр в определенные моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картером), которая не
имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное и продувочное. Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта.
Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов двигателя
происходят через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.
Первый такт (такт сжатия). При движении вверх поршень перекрывает выпускные окна в цилиндре, в результате чего над поршнем в
цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Одновременно под
поршнем создается разрежение и из карбюратора через впускные окна
цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру (нижнюю часть цилиндра). При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра, в результате
чего сжатая рабочая смесь в цилиндре воспламеняется и сгорает. На
этом заканчивается первый такт.
Второй такт (рабочий ход). Под давлением образовавшихся от
сгорания рабочей смеси газов поршень толкается вниз, совершая рабочий ход. В конце рабочего хода поршень сначала открывает выпускное окно и отработавшие газы из цилиндра через глушитель выходят в атмосферу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. Опускаясь ниже, в конце второго такта
поршень открывает окно продувочного канала и горючая смесь
устремляется из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него
отработавшие газы. Происходит продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом некоторая часть горючей смеси вместе с отработавшими газами выходит в атмосферу и
не принимает участие в рабочем цикле.
Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл.
19
Вопросы для самопроверки
1. Что называется рабочим циклом ДВС?
2. Классификация ДВС по числу тактов.
3. Что происходит в первом такте?
4. Какие процессы происходят во втором такте бензинового двигателя?
5. Какие процессы происходят в третьем такте бензинового двигателя?
6. Какие процессы происходят в четвертом такте бензинового
ДВС?
7. Для чего нужны коленчатый вал и маховик в ДВС?
8. В чем заключаются особенности работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего на дизельном топливе?
9. В чем заключаются преимущества ДВС, работающего на дизтопливе?
10. Что такое компрессия и в каких единицах измеряется?
11. Чем атмосферное давление отличается от барометрического?
12. Каким инструментом измеряется давление внутри цилиндра
при построении термодинамических диаграмм ДВС?
13. Сколько требуется воздуха для полного сжигания 1 г бензина?
14. В чем особенности работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания?
15. Чему равняется техническая атмосфера и в каких единицах
измеряется?
20
Работа № 3
ИНДИКАТОРНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ
ЧЕТЫРЕХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ
Цель работы – изучение индикаторных диаграмм двигателей
внутреннего сгорания.
Задачи работы:
3.1. Изучить индикаторную диаграмму бензинового двигателя.
3.2. Изучить индикаторную диаграмму дизельного двигателя
(дизеля).
3.1 Индикаторная термодинамическая диаграмма
бензинового двигателя
Индикаторной термодинамической диаграммой называется диаграмма зависимости давления газов в цилиндре от объема газов в
процессе работы двигателя. В отличие от теоретических, их называют
рабочими диаграммами. В процессе работы двигателя в каждом такте
непрерывно происходит изменение объема газа внутри цилиндра.
Объем газа ограничивается поршнем, стенками цилиндра и головкой
блока цилиндров. Изменение объема цилиндра происходит из-за поступательного движения поршня в прямом и обратном направлениях.
На рис. 3.1 показана индикаторная диаграмма бензинового двигателя.
На этом рисунке минимальный объем V01 соответствует объему камеры сгорания (положению поршня в ВМТ), а максимальный объем –
положению поршня в НМТ.
В реальном тепловом двигателе превращение тепловой энергии,
выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу связано
с рядом последовательных физико-химических преобразований, составляющих в совокупности необратимый круговой и незамкнутый
цикл. На протяжении всего цикла происходит теплообмен с внешней
средой. Применительно к поршневым двигателям такой цикл принято
называть рабочим или действительным. Таким образом, рабочим циклом называется ряд последовательных термодинамических процессов,
периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время
его работы.
21
Изображение рабочего цикла, в виде замкнутой кривой, показывающей изменение давления газов в течение цикла в зависимости от
положения поршня в
цилиндре, называется
индикаторной
диаграммой. Такую диаграмму снимают (записывают) во время
работы
двигателя,
используя
прибор,
называемый индикатором внутрицилиндрового
давления.
Индикатором
измеряют реальное давление в цилиндре над
Рабочим
Рисунок 3.1 – Индикаторная диаграмма рабочего поршнем.
цикла бензинового двигателя: P1 – барометриче- телом при работе двиское (атмосферное) давление, Р4 – максимальное гателя является редавление в цилиндре, V01 – минимальный объем
альный газ переменв цилиндре (объем камеры сгорания),
ного состава с измеV02 – максимальный объем в цилиндре.
няющейся теплоемкостью.
Изменение положения поршня в цилиндре приводит к изменению
объема цилиндра над поршнем, поэтому индикаторные диаграммы,
построенные в координатах P – V позволяют оценить работу реального поршневого двигателя, изучить динамику изменения давления в
цилиндре работающего двигателя в зависимости от изменения рабочего объема цилиндра. Индикаторная диаграмма, представленная на
рисунке 3.1, является термодинамической диаграммой бензинового
двигателя, в котором сгорание топлива происходит при незначительном изменении объема камеры сгорания. На участке 1–2 этой диаграммы, соответствующей движению поршня от верхней мертвой
точки к нижней мертвой точке (при изменении объема от V01 до V02),
происходит всасывание горючей смеси, так как давление в цилиндре
ниже барометрического; на участке 2–3, соответствующей движению
поршня от НМТ к ВМТ (при изменении объема от V02 до V01), происходит сжатие горючей смеси.
22
В точке 3, когда поршень еще не успел дойти до ВМТ (с некоторым углом опережения зажигания), подается электрическая искра и
начинается процесс горения топливовоздушной смеси. В период
быстрого сгорания смеси между точками 3 и 4 объем над поршнем
уменьшается незначительно, но при этом происходит резкое возрастание давления от значения p3 до значения p4, что обусловлено образованием большого количества газов при сгорании топлива. Идеальным вариантом является вариант, когда все топливо сгорает между
точками 3 и 4.
В точке 4 поршень достигает верхней мертвой точки (ВМТ) и
начинается рабочий ход (движение поршня от ВМТ до нижней мертвой точки под давлением p4). При этом на участке 4–5 давление в цилиндре по мере расширения газов и увеличения объема над поршнем
понижается. В точке 5 открывается выпускной клапан и на участке 5–
1 происходит вытеснение (выпуск) отработавших газов из цилиндра.
Весь термодинамический цикл происходит за 4 хода поршня.
На работу бензиновых двигателей существенное влияние оказывают характеристики применяемых бензинов – в первую очередь, детонационная стойкость, определяемая октановым числом. Детонационное сгорание топлива характеризуется ударными знакопеременными всплесками давления в цилиндре двигателя, что приводит к ускоренному разрушению деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
3.2 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя (дизеля)
В последние годы наибольшее распространение стали получать
четырехтактные дизели благодаря своим более высоким топливноэкономическим показателям по сравнению с бензиновыми.
Термодинамическая диаграмма рабочего процесса дизеля представлена на рис. 3.2. Точки от 1 до 11 являются характерными точками цикла, в которых начинается или заканчивается такт или какойлибо физический процесс.
В дизеле со свободным впуском (без наддува) воздух всасывается
в цилиндр за счет разрежения, которое создается в нем при движении
поршня от ВМТ до НМТ. Двигатели устроены так, что впускной клапан начинает открываться не в момент прихода поршня в ВМТ, а чуть
раньше на такте выпуска в точке 11. Предварительное открытие
впускного клапана до прихода поршня в ВМТ способствует снижению
процентного содержания остаточных газов в газо-воздушной смеси в
23
цилиндре, улучшает наполнение цилиндра чистым воздухом. Предварительное открытие впускного клапана осуществляется за 10…30 до
прихода поршня в ВМТ. Градусы, как уже говорили выше, отсчитываются по окружности, описываемой точкой коленчатого вала, соответствующей приходу поршня в ВМТ (приход которой в нулевое положение (0 на коленвале) совпадает по времени с приходом поршня в
ВМТ). Полный поворот коленчатого вала (изменение угла поворота на
360) происходит при возвращении поршня в первоначальное положение за два такта (от ВМТ до НМТ и обратно из НМТ в ВМТ). От
точки 11 до точки 1 продолжается вытеснение отработавших газов из
цилиндра. В точке 1 начинается движение поршня от ВМТ до НМТ. В
процессе этого движения поршня внутри цилиндра образуется разрежение, которое сохраняется до точки 3, поэтому происходит всасывание воздуха в цилиндр (впуск воздуха).
В двигателях с наддувом в процессе работы происходит хорошая
продувка цилиндра, благодаря которой уменьшается количество остаточных газов, снижаются температура в цилиндре и температурные
напряжения в деталях
цилиндропоршневой
группы. Например, в
точке 3 температура
становится
равной
320…350 К (47…77 С).
Процесс
впуска
Рисунок 3.2– Термодинамическая диаграмма:
воздуха заканчивается в
рабочего цикла дизельного двигателя.
точке 3, то есть в НМТ.
V01 – минимальный объем (объем камеры
При обратном ходе
сгорания), V03 – максимальный объем
происходит
цилиндра, р0 – атмосферное (барометрическое) поршня
сжатие воздуха (такт
давление, ВМТ и НМТ – верхняя и нижняя
сжатия). На такте сжамертвые точки соответственно.
тия (во втором такте)
в точке 4 давление в цилиндре становится равным атмосферному, а в
точке 5 достигает значительной величины, однако процесс сжатия
24
воздуха продолжается до точки 6, то есть до ВМТ, но уже в точке 5
температура воздуха достигает значительной величины, поэтому производится впрыск топлива в цилиндр. Однако из-за задержки начала
самовоспламенения топлива, характеризующейся цетановым числом,
горение начинается позже – в точке 6. После впрыска происходит в
течение короткого промежутка времени перемешивание воздуха и
распыленного топлива в интервале между точками 5 и 6, нагревание и
частичное испарение. Эта небольшая задержка по времени нужна для
получения однородности горючей смеси. В точке 6 происходит самовоспламенение смеси за счет высокой температуры сжатого воздуха.
На участке 6–7 происходит резкое повышение температуры и давления за счет сгорания топлива при постоянном объеме (в камере сгорания). Этот процесс горения топлива на этом участке является изохорным термодинамическим процессом. Обратный ход поршня (третий
такт) начинается в точке 7. Однако процесс горения продолжается,
так как не вся горючая смесь сгорает на участке 6–7 термодинамической диаграммы. Продолжение процесса горения топлива на участке
7–8 обуславливает дальнейшее повышение температуры газов в цилиндре и сохранение постоянства давления в нем вплоть до точки 8.
На этом участке между точками 7 и 8 происходит изобарный термодинамический процесс. Температура в цилиндре достигает максимального значения после поворота коленчатого вала на угол 20…35
после прохождения нулевого градуса, то есть в точке 8. В конце процесса сгорания основной части заряда (точка 7) в дизелях без наддува
давление достигает значения 6…8 МПа (60…80 ат), а температура –
1900…2100 К (1627…1827 С).
В процессе горения топлива при изобарном расширении образующихся газов на участке 7–8 одновременно происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу, то есть участок 7–8
диаграммы является частью термодинамической диаграммы рабочего
хода (третьего такта). После окончании процесса горения топлива в
точке 8, соответствующей повороту коленчатого вала на угол 20…35
после прохождения нулевого градуса, происходит политропный процесс расширения газов, в результате которого в основном осуществляется рабочий ход поршня. Рабочий ход поршня заканчивается в
точке 9, то есть в момент открытия выпускного клапана, когда давление успевает значительно понизиться. В точке 9 (в конце процесса
расширения) давление падает до 0,3…0,5 МПа (до 3…5 атм), а темпе-
25
ратура – до 1000…1500 К (727…1227 С). В точке 9 поршень еще не
успевает дойти до НМТ на 40…70 поворота коленвала.
Выпуск отработавших газов происходит на участке 9–10–11–1
диаграммы, то есть на части такта расширения (участок 9–10) и полного хода поршня от НМТ до ВМТ (участок 10–1). На участке 9–10
происходит свободный выпуск отработавших газов, так как давление
в цилиндре еще равно 3…5 ат. При этом удаляется примерно
50…70 % всех отработавших газов. Начальный период выпуска газов
характеризуется очень высокой скоростью истечения газов
(600…700 м/с), что выше критической скорости распространения звуковых волн в воздухе (335 м/с), а ближе к точке 10 скорость истечения
газов становится равной 100…250 м/с (ниже скорости звука). Выпускной клапан, который открывается в точке 9, остается открытым
вплоть до точки 2. Несмотря на это, как сказано уже, в точке 11 открывается впускной клапан. Одновременное нахождение впускного и
выпускного клапанов цилиндра в открытом состоянии принято называть перекрытием клапанов, которое способствует лучшей очистке
цилиндра от отработавших газов. (Подробно перекрытие клапанов
рассматривается ниже в работе № 4). В конце выпуска газов в точке 1
давление в цилиндре составляет 0,105…0,125 МПа (1,05…1,25 атм),
то есть чуть выше атмосферного. Температура внутри цилиндра в
этой точке составляет 700…1000 К. Выпускной клапан закрывается
после поворота коленчатого вала на угол 10…50 после прохождения
ВМТ (в точке 2).
Задания для самостоятельной работы
1. Построить индикаторную диаграмму рабочего цикла бензинового двигателя и провести анализ этой диаграммы.
2. Построить индикаторную диаграмму рабочего цикла дизельного двигателя и провести анализ этой диаграммы.
26
27
Работа № 4
ИЗУЧЕНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Цель работы – изучение круговых диаграмм фаз газораспределения в двигателях внутреннего сгорания
Мощность двигателя, коэффициент полезного действия, крутящий момент и экономичность в значительной степени зависят от правильной установки фаз газораспределения, которые обычно определяются периодами открытого и закрытого состояния впускного и выпускного клапанов и выражаются в градусах поворота коленчатого
вала относительно верхней и нижней мертвых точек поршня (рис.
4.2). Для управления этим процессом в автомобиле имеется механизм
газораспределения. Механизм газораспределения предназначен для
открытия и закрытия клапанов в определенные моменты, что необходимо для впуска в цилиндр свежей топливовоздушной смеси (в карбюраторных двигателях) или воздуха (в дизелях) и выпуска отработавших газов из цилиндра.
Задачей механизма газораспределения двигателя является обеспечение наивысшей эффективности наполнения и очистки цилиндра
во время его работы. То есть впускные и выпускные клапаны должны
своевременно открываться и закрываться. От того, насколько правильно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность
двигателя, его мощность и крутящий момент. В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала (рис. 4.1). Профиль этих
кулачков определяет моменты пребывания впускных и выпускных
клапанов в открытом и закрытом состояниях, то есть продолжительность фаз (ширину фаз). От профиля кулачка зависит также величина
хода клапана. В большинстве современных двигателей фазы меняться
не могут.
Рисунок 4.1 – Распределительный вал двигателя.
28
Работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью.
Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопных газов) в цилиндре, во впускном и выпускном трактах меняется в
зависимости от режимов работы двигателя, а режимы работы непрерывно изменяются. Поэтому постоянно меняется скорость течения
газов, возникают различного рода колебания упругой газовой среды,
которые приводят к полезным или отрицательным явлениям. Из-за
этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы, что отрицательно сказывается на устойчивости работы двигателя.
Графически фазы газораспределения изображаются в виде круговых диаграмм. На рис. 4.2 представлена круговая диаграмма распределения фаз впуска и выпуска газов в цилиндрах четырехтактного
двигателя, то есть временные интервалы открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к моментам прихода поршня в ВМТ или НМТ.
Из рис. 4.2 видно, что
впускной клапан в данном
конкретном случае открывается за 12 до прихода
поршня в ВМТ и закрывается через 40 после прихода поршня в НМТ, то есть
остается открытым все 232
поворота кривошипа коленчатого вала. Выпуск
отработавших газов начинается за 42 до прихода
поршня в НМТ, а заканчивается через 10 после прохождения поршнем ВМТ. В
Рисунок 4.2 – Круговая диаграмма
определенном временном
распределения фаз в цилиндрах
интервале и впускной и
четырехтактного бензинового двигателя.
выпускной клапаны открыты одновременно, то есть на круговой диаграмме периоды открытия и
закрытия клапанов перекрывают друг друга. Угол поворота коленчатого вала, когда открыты впускной и выпускной клапаны, называется
29
перекрытием клапанов. Например, на рис. 4.2 у ВМТ перекрытие клапанов составляет 22 (12 + 10), а у НМТ – 82 (42 + 40).
Из рис. 4.2 видно, что вблизи ВМТ в определенный момент одновременно происходит выпуск отработавших газов (точнее, продолжение выпуска) и впуск свежего заряда. Впуск происходит за счет эжекции газов. Эжекцией называется процесс смешения (смешивания)
двух каких-либо сред, из которых одна среда, находясь под давлением, воздействует на другую и увлекает ее за собою в необходимом
направлении. В данном случае такими средами являются отработавшие газы (находящиеся под давлением) и свежий заряд. Эжекция тем
больше, чем больше скорость истечения газа.
Вблизи НМТ также в определенный момент одновременно происходит впуск свежего заряда (точнее, продолжение впуска) и выпуск
отработавших газов. Величина перекрытия, при которой сказывается
положительный эффект на процесс наполнения цилиндра, зависит от
частоты вращения коленчатого вала и выбирается такой величины,
чтобы в рабочем диапазоне не было ухудшения наполнения цилиндра.
Вопрос о том, когда двигатель работает лучше – при фазах, сдвинутых вперед или назад, неправомерен. Именно соблюдение эффективного соотношения фаз газораспределения обеспечивает оптимальные характеристики силового агрегата.
Для работы на холостом ходу устанавливают узкие фазы газораспределения с более поздним открытием и ранним закрытием клапанов
без перекрытия фаз. Таким образом удается исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси
в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением числа оборотов коленчатого вала период времени
открытия клапанов, измеряемый долями секунды, закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности необходимо через цилиндры пропустить значительно больший
объём газов, чем на холостом ходу. Поэтому необходимо открывать
клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия,
другими словами, – сделать фазы широкими. Для лучшей продувки
цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты двигателя.
В последнее время стали устанавливать на двигатели по два распредвала: один – для приведения в действие впускных клапанов, второй – для выпускных клапанов. Это позволяет плавно изменять фазы
газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением.
30
Что достигается путем поворота распределительного вала впускных
клапанов относительно распредвала выпускных клапанов в диапазоне
40–60 (по углу поворота коленчатого вала).
При перекрытии клапанов, когда впускной и выпускной клапаны
одновременно открыты, разрежение, которое создается в выпускном
коллекторе, подсасывает свежую смесь в цилиндр и улучшает его
наполнение. Возникающий при этом эффект «продувки» цилиндров
выражен тем сильнее, чем больше обороты двигателя.
Широкими фазами увлекаться не стоит, так как чем шире фазы на
распредвале, тем хуже тяга на низких оборотах. А вот подъем клапана
за счет высоты кулачка, размера клапана, формы кулачка распредвала
позволяют существенно увеличить мощность и число оборотов двигателя.
Японцы применили систему, в которой на маленьких оборотах
клапан открывается маленьким кулачком распредвала, а на больших –
большим кулачком. Таким образом, на малых оборотах двигатель тянет хорошо, как «трактор», а на больших оборотах – как «ракета». Такая схема газораспределения является идеальной. Маленький кулачок
имеет круглую форму, а большой – приближается по форме к квадратной.
Вопросы для самопроверки
1. Для чего нужен распредвал и сам механизм газораспределения?
2. Как изображаются графически фазы газораспределения?
3. Что принято называть перекрытием клапанов?
4. Как изменяется перекрытие клапанов с увеличением скорости
вращения коленвала?
5. Чему способствует перекрытие клапанов?
6. Для чего устанавливаются на двигатель два распредвала?
Литература
1. Кудинов В. А. Техническая термодинамика: Учебное пособие.
М.: Высшая школа, 2001. 261 с.
2. Котиков Ю. Г., Ложкин В. Н. Транспортная энергетика: Учебное пособие. М.: Изд-во «Академия», 2006. 272 с.
3. Николаенко А. В. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГАУ,
2004. 438 с.
31
Содержание
Общие методические указания к выполнению практических
занятий по предмету «Транспортная энергетика» ............................
3
Порядок составления отчета по практической работе ..........................
3
Образец титульного листа ........................................................................
5
Работа № 1. Назначение, классификация и устройство двигателей внутреннего сгорания....................................................................
6
1.1 Назначение двигателей ..................................................................
6
1.2 Классификация двигателей ...........................................................
6
1.3 Устройство двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ................
7
Работа № 2. Изучение принципа работы двигателей внутреннего сгорания ............................................................................................
12
2.1 Изучение принципа работы четырехтактного двигателя
внутреннего сгорания, работающего на бензине ..............................
12
2.2. Изучение особенностей работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего на дизельном топливе ........................................................................................................
16
2.3 Изучение рабочего цикла двухтактного карбюраторного
двигателя ...............................................................................................
18
Работа № 3. Индикаторные термодинамические диаграммы
четырехтактных двигателей внутреннего сгорания ..........................
21
3.1 Индикаторная термодинамическая диаграмма бензинового двигателя.......................................................................................
21
3.2. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя (дизеля) ........
23
Работа № 4. Изучение фаз газораспределения в двигателях
внутреннего сгорания ..........................................................................
27
Литература .................................................................................................
30
32