Четырехтактные двигатели, принципы работы
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1.1.Понятие
« двигатель внутреннего
1.2. Общее устройство двигателя………………………………………………...
1.3.Основные параметры двигателя……...................
2.РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ
2.1. Принцип работы…………………………………………………………….
2.2.Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя ………...…...13
2.3Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя…………………….15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ…………………………………
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность данной темы заключается в том что, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко применяются во всех областях народного хозяйства и являются практически единственным источником энергии в автомобилях.
Первый поршневой ДВС
был создан французским инженером
Ленуаром. Этот двигатель работал
по двухтактному циклу, имел золотниковое
газораспределение, посторонний источник
зажигания и потреблял в
Двигатель Ленуара представлял собой крайне несовершенную топливную установку, неконкурентоспособную даже с паровыми машинами того времени.
В 1870 г. немецким механиком Н.Отто был создан четырехтактный газовый двигатель, работавший по предложенному французским инженером Бо де Рошем циклом со сгоранием топлива при постоянном объеме. Этот двигатель и явился прообразом современных карбюраторных двигатель.
Бензиновый двигатель транспортного типа впервые в практике мирового двигателестроения был предложен русским инженером И.С. Костовичем. В двигателе было использовано электрическое зажигание.
В 90-х годах XIX века началось
развитие дизелей. Немецким инженером
Р.Дизелем был разработан рабочий
цикл двигателя, а в 1897 г. Р.Дизель построил
первый образец работоспособного стационарного
компрессорного двигателя. Но он не получил
широкого распространения из-за конструктивного
несовершенства. Внеся ряд изменений
в конструкцию двигателя Р.
Первые образцы
Дальнейшее развитие двигателестроения сопровождается непрерывным интенсивным улучшением их технико-экономических показателей, увеличением моторесурса и снижением их металлоемкости.
Цель данной курсовой работы – изучить работу четырехтактных двигателей.
Достижение поставленной цели обусловило решение целого ряда конкретных задач:
- изучить понятия «двигатель внутреннего сгорания»;
- рассмотреть устройство двигателя;
- изучить основные параметры четырехтактного двигателя;
- рассмотреть принципы работы.
Объектом исследования является двигатели внутреннего сгорания.
Предмет исследования – четырехтактный двигатель.
1.Теоретические
основы функционирования
1.1. Понятие «двигатель
внутреннего сгорания».
В настоящее время существует
большое количество устройств, использующих
тепловое расширение газов. К таким
устройствам относится
Двигателем называется силовая установка, преобразующая тепловую энергию в механическую работу. В автомобилях применяют поршневые двигатели, называемые двигателями внутреннего сгорания.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.
2. Двигатели внутреннего сгорания.
В качестве энергетических
установок автомобилей
Наиболее экономичными
являются поршневые и
Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС. Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.
К положительным особенностям
ДВС стоит отнести также то,
что они могут быть соединены
практически с любым
Рассматриваемые двигатели
успешно используются на
Сравнительно невысокая
начальная стоимость,
Установки с ДВС
обладают большой
Положительным качеством дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута. Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность. Высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, Токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появлений не уравновешенных сил инерции и моментов от них. Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т.е. силовое воздействие, создание больших давлений, которую выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют по следующим признакам.
- По назначению:
- транспортные (устанавливаются на автомобилях и других самоходных машинах);
- стационарные (предназначены для работы на стационарных силовых установках).
- По способу осуществления рабочего цикла:
- четырехтактные (применяются на всех современных автомобилях);
- двухтактные (применяются на маломощных транспортных средствах – мотоциклах и мотоколясках).
- По способу смесеобразования:
- с внешним смесеобразованием (карбюраторные);
- с внутренним смесеобразованием (дизельные).
- По способу воспламенения рабочей смеси:
- с воспламенением от электрической искры (двигатели, работающие на бензине и газе);
- с воспламенением от высокой температуры, возникающей при сжатии воздуха (дизельные двигатели).
- По виду применяемого топлива:
- двигатели, работающие на жидком топливе (бензин, керосин, спирты, дизельное топливо);
- двигатели, работающие на сжатых и сжиженных газах.
- По числу цилиндров:
- одноцилиндровые;
- многоцилиндровые.
- По расположению цилиндров:
- однорядные;
- V-образные (с расположением цилиндров под углом 90);
- оппозитные (с расположением цилиндров под углом 180);
- W-образные.
- По способу наполнения цилиндров свежим зарядом:
- без наддува;
- с наддувом.
- По способу охлаждения:
- с жидкостным охлаждением;
- с воздушным охлаждением.
1.2. Общее устройство двигателя
Поршневые двигатели внутреннего сгорания имеют в своем составе два механизма: кривошипно-шатунный и газораспределительный, а также системы смазки, охлаждения, питания, зажигания и запуска.
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для восприятия силы взрыва газов и преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями кривошипно-шатунного механизма являются блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер, поддон картера, коленчатый вал, шатуны, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы и маховик.
Газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси и для выпуска отработавших газов. К газораспределительному механизму относятся распределительный вал, толкатели, штанги, ось коромысел, коромысла, клапаны, пружины клапанов с деталями их крепления на стержнях клапанов.
Система охлаждения двигателя предназначена для отвода излишней теплоты и поддержания температурного режима в пределах 80...95°С. Существуют системы охлаждения двигателей с жидкостным отводом теплоты в окружающую среду и воздушные, где излишняя теплота отводится от цилиндров двигателя путем обдува их воздухом. Жидкостная система охлаждения имеет радиатор, водяной насос, термостат, рубашку охлаждения цилиндров и жалюзи радиатора.
Система смазки двигателя предназначена для подачи масла к движущимся деталям, удаления продуктов трения с трущихся поверхностей и частичного охлаждения трущихся деталей. Основными приборами системы являются масляный насос с маслоприемником, фильтры очистки масла, масляные радиаторы, детали системы вентиляции картера двигателя, магистрали и трубопроводы.
Система питания карбюраторных двигателей служит для приготовления горючей смеси вне цилиндров двигателя и подачи ее в цилиндры. Основными приборами системы являются топливный бак, фильтры грубой и тонкой очистки, топливный насос, карбюратор, воздушный фильтр, впускные и выпускные трубы, глушитель. К системе питания дизеля относятся топливный бак, фильтры топлива грубой и тонкой очистки, подкачивающий насос низкого давления, топливный насос высокого давления, форсунки, воздушный фильтр, выпускные трубы, труба глушителя и глушитель.
Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. У дизелей система зажигания отсутствует, так как воспламенение горючей смеси происходит под действием высокой температуры воздуха в результате сильного сжатия.
Система запуска включает приборы, обеспечивающие пуск двигателя.
1.3. Основные параметры двигателя
К основным параметрам двигателя относятся:
- верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня (рисунок 1).
- нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня.
- радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.
- ход поршня S — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
Рисунок
1 – Основные положения кривошипно- шатунного
механизма
а — ВМТ; б — НМТ; Vc — объем камеры сгорания; Vh, — рабочий объем цилиндра; D — диаметр цилиндра; S - ход поршня
Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя.
- такт — часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.
- объем камеры сгорания — объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ.
- рабочий объем цилиндра — объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.
- полный объем цилиндра — объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания.
- степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
- индикаторная мощность Ni — мощность, развиваемая газами в цилиндре.
- эффективная (действительная) мощность Ne — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Эффективная мощность Ne меньше индикаторной Ni, так как часть последней затрачивается на трение и на приведение в движение вспомогательных механизмов. Эта мощность называется мощностью механических потерь NM.
- механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя — отношение эффективной мощности к индикаторной:
- индикаторный КПД , представляет собой отношение теплоты Qi эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте Q, введенной в двигатель с топливом.
- эффективный КПД — отношение количества теплоты Q2, превращенного в механическую работу на валу двигателя, ко всему количеству теплоты Q1, подведенному в процессе работы.
- среднее эффективное давление ре — произведение среднего индикаторного давления рi (давление, действующее на поршень в течение одного хода поршня) на механический КПД .
- удельный индикаторный расход топлива gi — количество топлива, расходуемого в двигателе для получения в течение 1 ч индикаторной мощности 1 кВт.
- удельный эффективный расход топлива ge — количество топлива, которое расходуется в двигателе для получения в течение 1 ч 1 кВт эффективной мощности.
2.Рабочие циклы двигателей
2.1. Принцип работы
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня.
Нагревание газов достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к .давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень.
Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
2.2 . Рабочий цикл
четырехтактного
Тактами карбюраторного двигателя являются впуск - наполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси; сжатие - впущенный в цилиндр свежий заряд горючей смеси сжимается для подготовки следующего такта, которым является рабочий ход, предназначенный для преобразования тепловой энергии в механическую работу; завершающим тактом является выпуск отработавших газов. Затем такты повторяются в такой же последовательности.
Рассмотрим теоретический
Первый такт - впуск (рисунок 2, а). Перед началом такта поршень находится в ВМТ. Выпускной клапан 6 при этом закрыт, а впускной 4 открывается. Поршень 1, перемещаясь из ВМТ в НМТ, освобождает объем над поршнем, создавая разрежение. Вращение коленчатого вала передается через детали газораспределительного механизма на впускной 4 клапан, и он открывается. Под действием разрежения в цилиндр 2 из карбюратора через впускную трубу 3 поступает горючая смесь. B цилиндре она смешивается с остаточными отработавшими газами и преобразуется в рабочую смесь. В конце такта впуска давление внутри цилиндра составляет 80...90 кПа. Температура рабочей смеси в конце такта впуска достигает 80...120°С при условии, что двигатель прогрет до оптимальной температуры. B противном случае температура будет ниже нормы.
Рисунок.2 – Рабочий цикл
четырехтактного бензинового
а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход; г – выпуск.
Второй такт - сжатие (рисунок 2, б). При такте сжатия оба клапана закрыты. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь в 6-11 раз. За счет сжатия температура рабочей смеси поднимается до 300... 450°С, а давление достигает 1,0... 1,2 МПа.
Третий такт - рабочий ход (рисунок 2, в). В конце такта сжатия при подходе поршня к ВМТ через свечу зажигания 5 в цилиндр подается электрическая искра, от которой воспламеняется рабочая смесь в цилиндре. При сгорании рабочей смеси температура в камере сгорания поднимается до 2000... 2500°С, что приводит к резкому возрастанию давления внутри цилиндра, достигающему 3... 5 МПа. Давление передается на днище поршня 1, далее через поршневой палец и шатун 8 на коленчатый вал 9, заставляя его вращаться. Поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Оба клапана при рабочем ходе закрыты. Это основной такт, при нем происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. После быстрого нарастания давления в начале рабочего хода и передачи этого давления на коленчатый вал начинается уменьшение давления в результате увеличения объема над поршнем. Происходит снижение температуры до 1200... 1400°С и давления до 400... 500 кПа. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан, и отработавшие газы через выпускную трубу 7 и глушитель начинают выходить в атмосферу.
Четвертый такт - выпуск отработавших газов (рис. 2, г). При такте выпуска открывается выпускной клапан 6, и отработавшие газы через выпускную трубу 7 выходят в атмосферу. Поршень при этом перемещается из НМТ в ВМТ. Однако полностью очистить цилиндр от отработавших газов не удается. Часть отработавших газов остается в цилиндре и смешивается со следующим зарядом горючей смеси. Когда поршень приходит в ВМТ, закрывается выпускной клапан, и рабочий процесс повторяется. В конце такта выпуска давление в цилиндре снижается до 110... 120 кПа, а температура до 700...850°С.
2.3 Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и карбюраторного, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Однако этот процесс имеет существенные отличия, заключающиеся в характере протекания, заполнении цилиндра свежим зарядом, способе смесеобразования и воспламенения горючей смеси, так как у дизелей топливо подается в цилиндр не в виде готовой горючей смеси, а в мелкораспыленном состоянии.
Первый такт - впуск (рисунок 3, а). Перед началом впуска поршень 7 находится в ВМТ и начинает движение к НМТ. Выпускной клапан 5 при этом закрыт. При увеличении рабочего объема в цилиндре 6 создается разрежение, и в него начинает поступать воздух, предварительно прошедший через воздушный фильтр 3. В цилиндре воздух смешивается с небольшим количеством отработавших газов, которые не вышли из цилиндра при такте выпуска. 3аканчивается такт впуска в момент прихода поршня в НМТ. В это время закрывается впускной клапан 4. Когда заканчивается впуск в цилиндр чистого воздуха, температура в нем составляет 50...80°С (у прогретого двигателя), давление - 90... 95 кПа.
Второй такт - сжатие (рисунок 3, б). После окончания такта впуска и закрытия впускного клапана поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ, сжимая чистый воздух. К концу такта в результате сжатия температура воздуха составляет 600... 700°С, а давление - 4... 5 МПа. Такое повышение температуры и давления обусловлено высокой степенью сжатия у дизелей (16 ...24). Высокая температура и давление необходимы для воспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя в конце такта сжатия насосом высокого давления 1 через форсунку 2. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.
Рисунок 3 – Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход; г – выпуск.
Третий такт - рабочий ход (рисунок 3, в). В конце такта сжатия, когда поршень не доходит до ВМТ на 15° ± 30', считая по обороту коленчатого вала, насос высокого давления впрыскивает через форсунку дизельное топливо под давлением 15...20 МПа. Давление впрыска топлива должно значительно превышать давление воздуха, сжатого в камере сгорания, чтобы обеспечить тонкое распыление топлива и распределение его по объему камеры сгорания. От величины давления впрыска и формы камеры сгорания зависит качество приготовления горючей смеси. Струя топлива при выходе из распыляющих отверстий сопла дробится на мелкие частицы. Распылению и быстрому испарению топлива способствует специальная форма камеры сгорания, благодаря которой струя топлива и воздух в камере приходят в вихревое движение. Под действием высокой температуры (600... 700°С) происходит самовоспламенение рабочей смеси. Часть рабочей смеси сгорает при движении поршня к ВМТ, т. е. в конце такта сжатия, а другая часть - при движении поршня к НМТ. Образующиеся при сгорании газы создают давление на днище поршня 6...8 МПа при температуре 1800... 2000°С. Поршень под давлением газов перемещается от ВМТ и совершает механическую работу. К концу рабочего хода температура в цилиндре снижается до 1100... 1300°С, давление - до 300...400 кПа.
Четвертый такт - выпуск (рисунок 3, г). Рабочий ход заканчивается, когда поршень доходит до НМТ и открывается выпускной клапан. Отработавшие газы под действием внутреннего давления через выпускной клапан, выпускную трубу и глушитель выходят в атмосферу. Поршень начинает движение от НМТ к ВМТ, вытесняя остаточные отработавшие газы. Впускной клапан при этом закрыт. В конце такта выпуска температура отработавших газов снижается до ~ 700...800°С, а давление - до 110... 120 кПа. При дальнейшем вращении коленчатого вала вышеперечисленные такты повторяются в той же последовательности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, мы видим, что двигатели внутреннего сгорания - очень сложный механизм.
И Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.
И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы - вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС - это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.
В данной работе поставленные цели и задачи достигнуты. Рассмотрены теоретические основы двигателей внутреннего сгорания.
СПИСОК использованных ИСТОЧНИКОВ
- Вершигора, В. А. Автомобили ВАЗ Устройство и ремонт. [Текст] / Вершигора В. А., Игнатов А. Я., Новокшенов К. В. – М., 2002.
2.Суханов, Б.Н. Техническое
обслуживание и ремонт
3. Круглов, С. М. Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей [Текст] / Круглое С. М.– М., 2002.
4. Ремонт автомобилей [Текст] / Л. В. Дехтеринский, К. У. Акмаев, В. П. Алсин и др.; под ред. Л. В. Дехтеринского. – М., 2002.
5. Росс, Твег. Устройство, обслуживание и ремонт [Текст] / Росс, Твег – М., 2003.
6. Румянцев, С. И. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей [Текст] / Румянцев С. И., Синельников А. Ф., Штоль Ю. Л – М., 2004.
7. Техническое обслуживание
и ремонт автомобилей [Текст]/
Ю. И. Боровских, Ю.В. Буралев,
8. Технологическое оборудование
для технического обслуживания
и ремонта легковых
9. Устройство, техническое
обслуживание и ремонт
10. Шестопалов С. К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей [Текст] / Шестопалов С. К. – М., 2003.