Анализ конструкции ДВС работающих на газе

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

     Федеральное государственное  бюджетное образовательное  учреждение

     Высшего профессионального  образования

     «ЧЕЛЯБИНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

     (ФГБОУ  ВПО «ЧГПУ»)

     Профессионально-педагогический институт

     Кафедра АиАх и МПТД 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Анализ  конструкции ДВС  работающих на газе

     КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

     По  дисциплине: Устройство отечественных и иностранных автомобилей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                               Выполнил: студент 4 курса, гр. ПОА-410,

                                                                специальность: Профессиональное  обучение

                                                              “Автомобили и автомобильное  хозяйство”

                                                                Слесарев Д.А., вариант № 19

                                                               Преподаватель: к.т.н., доцент кафедры

                                                               «Автомобили и автомобильное хозяйство и МПТД»

                                                               Меркулов Евгений Павлович  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Челябинск 2012

План

Введение 

1. Общее устройство и работа ДВС
2. Общие сведения об  автомобилях работающих на газе.

Заключение

Список  использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

            Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) - это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. На данный момент является одним из самых распространенных типов двигателей. Актуальность данной темы заключается в том, что двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества.

       Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: их используют в авиации, теплоходы, автомобили, тракторы и тепловозы также используют ДВС. Более мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общее устройство и работа ДВС

     Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель  внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 1).

Рис. 1- Внешний вид двигателя внутреннего сгорания

      Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

ДВС можно  разделить на:

· газовые  турбины;

· поршневые  двигатели;

· реактивные двигатели.

        В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.

        В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.

        В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.

        Наиболее экономичными являются ДВС поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.

          В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов,  которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.

          При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку  будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

        В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

     Система выпуска служит для отвода газов  из цилиндров двигателя и снижения шума. Одновременно система выпуска обеспечивает отсос пыли из воздушного фильтра.

     Отработавшие  газы из выпускных трубопроводов  двигателя поступают в приемные трубы 2 и 3 глушителя (рис. 2) и далее через гибкий металлический рукав 6 в глушитель 7. Из глушителя газы через выпускную трубу 8 и эжектор 10 выбрасываются в окружающий воздух. Через патрубок 9 производится отсос пыли из воздушного фильтра в эжектор.

     В системе выпуска отработавших газов  устанавливается вспомогательный (моторный) тормоз-замедлитель 4. 

     Рис. 2- Схема системы выпуска отработавших газов дизеля:

     1—уплотнитель; 2,3,8 — трубы; 4 — тормоз-замедлитель; 5— пневмоцилиндр; 6 — рукав; 7 — глушитель; 9 — патрубок; 10 — эжектор 

     Рабочее колесо турбины, установленное на одном  валу с рабочим колесом компрессора, приводится во вращение отработавшими газами до их поступления в глушитель. Для ограничения давления воздуха при наддуве предназначен перепускной клапан 4. При достижении требуемого давления (обычно 0,2 МПа) воздух давит на мембрану 2, клапан открывается и перепускает часть отработавших газов мимо турбины 5.

     На V-образных дизелях для турбонаддува устанавливают от одного до двух турбокомпрессоров. При двух турбокомпрессорах каждый из них обслуживает свой ряд цилиндров  двигателя. 
         ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

• питания;
• выпуска отработавших газов;
• зажигания;
• охлаждения;
• смазки.

Основные  детали ДВС:

• головка блока цилиндров;
• цилиндры;
• поршни;
• поршневые кольца;
• поршневые пальцы;
• шатуны;
• коленчатый вал;
• маховик;
• распределительный вал с кулачками;
• клапаны;
• свечи зажигания.

         Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.  
      Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).

 
 
Рис. 3 - Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:  
 а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)

 
 
Рис. 4- Поршень

         Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.

 
 
Рис. 5 - Поршень с шатуном:  

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна;3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки  шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 —  маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца  

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень  с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого  вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 6).

 
 
Рис. 6- Коленчатый вал с маховиком:

1 — коленчатый  вал; 2 — вкладыш  шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 —  шайба болтов крепления  маховика; 6 — вкладыши  первого, второго,  четвертого и пятого  коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника  

     В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

       Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ). А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

       Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.  
      А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра. В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.  
    Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливовоздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

        Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт. Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливовоздушной смеси.

        В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 7), в дизельных — от сжатия.

 
 
Рис. 7- Свеча зажигания

       При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.

      Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 6). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.  
      Первое действие одноцилиндрового двигателя — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливовоздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор.

      Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливовоздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.

       При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его. Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется.   

      Первый  такт — впуск 

 
        Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной  клапан цилиндр заполняется горючей смесью  до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на полоборота.  

      Второй  такт — сжатие

 
       После того как топливовоздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.  
Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 8). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное простран ство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °С.  
 
 
 
 

      Третий  такт — рабочий ход 

 
Третий такт — самый ответственный  момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис. 9).

 
 
Рис. 8- Процесс работы четырехтактного двигателя:  

а — такт впуска; б  — такт сжатия; в  — такт рабочего хода; г — такт выпуска

 
            Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает двигаться вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800–2000 °С, а давление — до 2,5–3,0 МПа.

 
 
Рис. 9- Искра между электродами свечи

Главная цель создания самого двигателя — это как раз и есть третий такт (рабочий ход). Поэтому остальные такты называют вспомогательными.  

      Четвертый такт — выпуск

 
Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод). Далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известная часть которой — глушитель, отработавшие газы уходят в атмосферу (рис. 10).

 
 
Рис. 10- Фрагмент глушителя

        Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом. Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия от рабочего цикла бензинового. В нем во время такта впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух.

        Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце первого такта, когда поршень приближается к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, — под большим давлением впрыскивается дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают.  
          При этом выделяется большое количество тепла и температура в цилиндре повышается до 1700–2000 °С, а давление — до 7–8 МПа.  
          Под действием давления газов поршень перемещается вниз, и происходит рабочий ход. Такт выпуска дизельного двигателя аналогичен такту выпуска бензинового двигателя.

          Вспомогательные такты (первый, второй и четвертый) совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя — маховика, о котором также шла речь выше. Кроме обеспечения равно- мерного вращения коленчатого вала, маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал передает запас инерции маховику. Инерция помогает ему осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. Из этого следует, что при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень ходит в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается таким образом, чтобы рабочий ход хотя бы одного поршня помогал осуществлять вспомогательные такты и плюс ко всему вращал маховик.

        Следовательно совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.  
Порядок работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя: 1-3-4-2. Пятицилиндрового, как правило, — 1-2-4-3-5. 

2. Общие сведения об  автомобилях работающих на газе.

1 - баллон 2 - мультиклапан 3 - газовая магистраль высокого давления 4 - выносное заправочное устройство 5 - газовый клапан 6 - редуктор-испаритель 7 - дозатор 8 - смеситель воздуха и газа 9 - бензиновый клапан 10 - переключатель видов топлива

Сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) под давлением  поступает из баллона (1) в газовую  магистраль высокого давления (3). Расход газа из баллона происходит посредством  мультиклапана (2), через который  также осуществляется заправка с  помощью выносного заправочного устройства (4). По магистрали газ в жидкой фазе попадает в газовый клапан-фильтр (5), который очищает газ от взвесей и смолистых отложений и перекрывает подачу газа при выключении зажигания или при переходе на бензин. Далее очищенный газ по трубопроводу поступает в редуктор-испаритель (6), где давление газа понижается с шестнадцати атмосфер до одной. Интенсивно испаряясь, газ охлаждает редуктор, поэтому последний присоединяется к системе водяного охлаждения двигателя. Циркуляция тосола позволяет избежать обмерзания редуктора и его мембран. Под действием разряжения, создаваемого во впускном коллекторе работающего двигателя, газ из редуктора по шлангу низкого давления через дозатор (7) поступает в смеситель (8), установленный между воздушным фильтром и дроссельными заслонками карбюратора. Иногда вместо установки смесителя производится непосредственная врезка газовых штуцеров в карбюратор. Управление режимами работы (на газе или на бензине) осуществляется с помощью переключателя видов топлива (10), установленного на панели приборов. При выборе позиции "ГАЗ" переключатель открывает электромагнитный газовый клапан (5) и отключает электромагнитный бензиновый клапан (9). И, наоборот, при переходе с газа на бензин, переключатель закрывает газовый клапан и открывает бензиновый. С помощью светодиодов переключатель позволяет контролировать, какое топливо используется в данный момент. Переключатель может быть оснащен указателем уровня топлива в баллоне (для этого мультиклапан должен быть оснащен сенсором уровня топлива). Установка ГБО третьего поколения на инжекторные автомобили отличается тем, что вместо бензоклапана для отсечения подачи бензина используется эмулятор форсунок. Когда подается газ, этот эмулятор имитирует работу бензиновых форсунок, чтобы штатный компьютер не перешел в аварийный режим. По этой же причине нужно устанавливать эмулятор лямбда-зонда. Системы газобаллонного оборудования четвертого поколения отличаются тем, что газ подается непосредственно во впускной коллектор через специальные газовые форсунки. Они управляются собственным электронным блоком управления, который синхронизирует свою работу со штатным контроллером и одновременно выполняет функции эмулятора. 
 

     В последнее время все больше автовладельцев устанавливают на свои автомобили оборудование для работы двигателя на сжиженном газе. Ниже приводится информация о достоинствах и недостатках автомобиля, оснащенного газовой аппаратурой. Дальнейшие главы посвящены описанию общего устройства, принципу действия и правилам эксплуатации газовой аппаратуры автомобилей, оснащенных как карбюраторами, так и различными системами впрыска, управляемыми с помощью электроники.

     Сжиженный нефтяной газ - это сжатый и сжиженный газ, который выходит из нефтяной скважины или появляется в процессе очистки нефти.

     Газ сжижается при нормальной температуре  при относительно низком давлении и  широко используется, благодаря высокой теплотворности. Его основными компонентами являются пропан и бутан.

     В жидком состоянии легче воды, в  газообразном состоянии в 1,5-2 раза тяжелее воздуха и при утечке в атмосферу, скапливаясь в низких местах, может стать причиной неожиданной аварии при воспламенении.

     Достоинства автомобилей, работающих на сжиженном  газе.

     Обладает  хорошей эффективностью сгорания, двигатель не шумит.

     Сжиженный газ полностью превращается в  газообразное состояние, хорошо смешивается с воздухом, смесь достаточно однородна и при составе смеси, близкому к теоретическому, полностью сгорает.

     Кроме того, скорость сгорания ниже, чем у  бензина, обладает высоким октановым числом, не образует детонацию, двигатель мало шумит.

     Хорошая экономичность.

     Стоимость меньше по сравнению с бензином, меньше расходов на масло, увеличивается срок службы двигателя и расходы составляют в два с лишним раза меньше, чем на бензин.

     Увеличивается срок службы масла.

     Так как у сжиженного газа низкая температура  кипения, он полностью превращается в газообразное состояние внутри цилиндра и не сжижает масло, мало образуется нагара.

     И так как в газ не добавляют  различные присадки, он не загрязняет масло нагаром и осадками, очень мало содержит серы (в десять раз меньше, чем в бензине) и почти не разрушает металл выхлопными газами.

     Мало  загрязняет атмосферу.

     Выхлопной газ почти не имеет запаха, очень  мало содержит вредного газа СО (в 20 раз меньше, чем в бензине), не дымит и мало загрязняет атмосферу.