Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Двигатели внутреннего сгорания. 2

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

МОУ Г. ЕКАТЕРИНБУРГА

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 86

ЧКАЛОВСКОГО РАЙОНА

Образовательная область: естествознание

Предмет: физика

УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Исполнитель: Карелин Андрей Алексеевич

ученик 9-б класса

Руководитель: Сергеева Елена Алексеевна

учитель физики МОУ СОШ № 86

I квалификационная категория

Екатеринбург

2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………. 4

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС)…………………………………………………………… 6

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВС………….......... 9

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ.................................. 9

Общие сведения и классификация………………………………… 9
Конструкция кривошипно-шатунного механизма………………. 11
Кинематика кривошипно-шатунного механизма………………... 13
Динамика кривошипно-шатунного механизма………………….. 13
Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания…………… 14
Равномерность хода и расчет маховика двигателя………………. 16

ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ……………………. 19 2.1. Классификация и конструктивный обзор газораспределительных механизмов………………………………………………………………. 19 2.2. Элементы механизма газораспределения………............................. 20
СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ……….……………….. 21 3.1. Классификация систем охлаждения……………………………….. 22 3.2. Жидкостная система охлаждения………………………………….. 24 3.3. Воздушная система охлаждения…………………………………… 25
СИСТЕМА СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ…….……………………………28 4.1. Классификация и устройство системы смазки……………………. 28
СИСТЕМА ПУСКА И ЗАЖИГАНИЯ ДВС……..………………… 32 5.1. Способы пуска двигателей…………………………………………. 33 5.2. Параметры пускового устройства…………………………………. 34 5.3. Зажигание от магнето……………………………………………… 37 5.4. Электронные системы зажигания……………………………........ 43

6. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВС…….……………………… 45 6.1. Теоретические основы регулирования скоростных режимов двигателей ………………………………………………………………… 44 6.2. Классификация и конструкции регуляторов………………………. 48

ГЛАВА 3. ДВС И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ…..…………………….. 53 1.1. Вредные выбросы в составе отработавших газов и их воздействие на живую природу ………………………………………………………….. 53 1.2. Законодательные ограничения выбросов вредных веществ …….. 58 1.3. Альтернативные топлива …………………………………………… 62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………. 65

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………….. 66

ВВЕДЕНИЕ

Внутренней энергией обладают все тела – земля, камни, облака. Однако извлечь их внутреннюю энергию довольно трудно, а порой и невозможно. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь некоторых, образно говоря, "горючих" и "горячих" тел. К ним относятся: нефть, уголь, горячие источники вблизи вулканов, теплые морские течения и т.п. Рассмотрим один из примеров использования превращения внутренней энергии названных тел в механическую энергию. Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

По роду топлива Двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом - на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Существуют: жидкостные и газовые, с внешним (карбюраторные двигатели) и внутренним (дизели) смесеобразованием, поршневые и турбинные, реактивные и комбинированные Двигатели внутреннего сгорания. Я выбрал эту тему так как мне интересны двигатели внутреннего сгорания их свойства и значения в автомобилях. А так же я понимаю, что сейчас в нашей стране огромным спросом пользуются машины, их производство и прирост в нашей стране всё растёт и растёт и через несколько лет когда моё поколение людей получат права на вождения разновидностей транспортных средств будет очень много и нужно обязательно знать какое из них лучше взять для своих целей.

Цель: рассмотреть устройство и работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Объект: топливные двигатели

Предмет: двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Задачи:

Изучить литературу по данному вопросу и систематизировать материал
Рассмотреть строение двигателя внутреннего сгорания, его разновидности
Оценить роль двигателя внутреннего сгорания для человека
Рассмотреть способы уменьшения влияния двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду
Подготовить презентацию Power Point

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Первый двигатель, работавший светильном газе, изобрёл в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял всего 0.04, т.е. Лишь 4% теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96% уходили с отработанными газами, нагревали корпус и т.п. Надёжно работали свечи выпускной золотник, для охлаждения двигателя требовалось очень много воды. В 1862 г. Французский инженер Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо Де Роша не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832-1891). Над его конструкцией изобретатель напряженно трудился и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин.

В течение нескольких лет Бенцу и Даймлеру пришлось заниматься усовершенствованием двигателя. В результате при поддержки состоятельных людей Карл Бенц даже построил небольшой завод по производству газовых двигателей. В поисках более эффективных, чем светильный газ, автомобильного топлива Готлиб Даймлер совершив 1881г поездку на юг России, где ознакомился с процессами переработки нефти. Один из её продуктов, лёгкий бензин, оказался как раз таким источником энергии, который искал изобретатель: бензин хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает, удобен для транспортировки.

В 1883г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать и на газе, и на бензине; все последующие автомобильные двигатели Даймлера были рассчитаны только на жидкое топливо. Переход от газа к бензину позволил в несколько раз увеличить обороты коленчатого вала, доведя его до 900об./мин; почти вдвое возросла удельная мощность двигателя (т.е. приходящаяся на 1 л суммарного-рабочего-объёма его цилиндров). Работа первопроходцев всегда требует энтузиазма и смелости. Награда за их настойчивость становится благодарность потомков. Первая самоходная коляска Бенца с бензиновым мотором была трехколесной. Даймлур начинал с двухколёсного «моторного велосипеда».

Изобретения Даймлера и Бенца соотечественники встретили холодно. Благопристойных горожан беспокоил треск бензиновых двигателей; «знатоки» утверждали к тому же, что мотор «безжалостного экипажа» непременно взорвётся. В итоге Даймлеру пришлось испытывать свой автомобиль по ночам на загородных дорогах. А Бенца полиция обязала вперед сообщать свой маршрут места остановок, чтобы привести в готовность пожарные команды.

Для того чтобы продемонстрировать безопасность поездок на автомобиле, фрау Берта Бенц тайком от мужа совершила вместе с сыновьями дальний (180км) автомобильный пробег. В этой поездке смелой автомобилистке приходилось прочищать трубу подачи топлива шляпной булавкой и изолировать электрический провод резиновой чулочной подвязкой.

Несмотря на явные преимущества двигателя внутреннего сгорания, до конца 19 века паровые и электрические считались более перспективными, чем газовые и бензиновые. В США, например, из выпущенных к 1899г. механических экипажей 40% составлял «паромобили», 38%-«электромобили» и лишь 22%-«бензиномобили».

Двигатели внутреннего сгорания обладают нетрадиционной организацией рабочего процесса и сочетают преимущества бензиновых двигателей (высокая удельная мощность, малый удельный вес, высокая частота вращения) и дизелей (высокая экономичность). Высокие удельные параметры такого двигателя с искровым зажиганием обеспечиваются реализацией оптимальных параметров рабочего процесса, к которым относятся: степень сжатия 11-13 и количественно-качественное регулирование мощности, допускающее повышение коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках.

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1. Кривошипно-шатурный механизм

1.1. Общие сведения и классификация

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Детали КШМ участвуют в совершении рабочего процесса и воспринимают механические и тепловые нагрузки.

Кривошипно-шатунный механизм является основным рабочим механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания. На рис. 1.1 показаны схемы кривошипно-шатунных механизмов, применяемых в двигателях.

Тронковый кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.1а) наиболее часто применяется в двигателях простого действия. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи шатуна, сочлененного шарнирно верхней головкой с поршневым пальцем и нижней головкой с шейкой колена вала. Рабочая полость располагается над поршнем в цилиндре, закрытом крышкой.

Крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм изображен на рис. 1.1б. Поршень в данном механизме соединяется с шатуном при помощи жестко связанного с поршнем штока и крейцкопфа, совершающих поступательное движение. При таком сочленении поршень разгружается от нормальной силы, так как ее действие переносится на крейцкопф; вследствие этого становится возможным создание второй рабочей полости в цилиндре под поршнем. При этом шток должен проходить через нижнюю крышку со специальным сальником, обеспечивающим герметичность полости под поршнем. Крейцкопфная система кривошипно-шатунного механизма применяется в тихоходных двигателях простого действия большой мощности, а также в двигателях двойного действия.

Тронковый кривошипно-шатунный механизм двигателя с V-образным расположением показан на рис. 1.1в.

Рис.1.1

а б в

Рис. 1.1. Схемы кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего сгорания

На автомобильных и тракторных двигателях применяют центральные (аксиальные) (рис. 1.2а), смещенные (дезаксиальные) (рис. 1.2б) тронковые кривошипно-шатунные механизмы. В центральном КШМ ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала. В дезаксиальном КШМ ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала, а смещена относительно нее на некоторое расстояние е. Смещение оси цилиндра уменьшает разницу в давлениях на правую и левую стороны цилиндра. Во время рабочего хода давление поршня на стенку цилиндра уменьшается, а во время хода сжатия – увеличивается, что в общем дает более равномерный износ двигателя. К преимуществам дизаксиального механизма следует отнести меньшую скорость поршня около верхней мертвой точки (ВМТ), благодаря чему улучшается процесс сгорания, который приближается к условиям сгорания при постоянном объеме. Величина смещения е обычно откладывается в направлении вращения коленчатого вала. Для современных двигателей относительное смещение, или дезаксаж, – отношение смещения е к радиусу кривошипа r находится в пределах 0.04–0.10. Наибольшее распространение получил центральный КШМ, кинематический и динамический анализ работы которого рассматривается ниже.

а б

Рис. 1.2. Схемы тронковых кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего сгорания

1.2. Конструкция кривошипно-шатунного механизма

Условно элементы КШМ можно разделить на две группы: неподвижные и подвижные. К неподвижным элементам относятся блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер с подшипниками коленчатого вала и поддоном, соединяющие их детали. Все это образует остов двигателя. Подвижными элементами механизма являются поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун с подшипниками, коленчатый вал с маховиком, соединяющие их детали.

1.3. Кинематика кривошипно-шатунного механизма

При изучении кинематики КШМ предполагают, что коленчатый вал двигателя вращается с постоянной угловой скоростью U, отсутствуют зазоры в сопряженных деталях, и механизм рассматривают с одной степенью свободы.

В действительности из-за неравномерности крутящего момента двигателя угловая скорость переменна. Поэтому при рассмотрении специальных вопросов динамики, в частности крутильных колебаний системы коленчатого вала, необходимо учитывать изменение угловой скорости.

Независимой переменной принимают угол поворота кривошипа коленчатого вала U. При кинематическом анализе устанавливают законы движения звеньев

За исходное принимают положение поршня в верхней мертвой точке, а направление вращения коленчатого вала по часовой стрелке. При этом для выявления законов движения и аналитических зависимостей устанавливают наиболее характерные точки. Для центрального механизма такими точками являются ось поршневого пальца (точка В), совершающая вместе с поршнем возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, и ось шатунной шейки кривошипа (точка А), вращающаяся вокруг оси коленчатого вала О.

Для определения зависимостей кинематики КШМ введем следующие обозначения:

l – длина шатуна;

r – радиус кривошипа;

λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей величина λ = 0.25–0.31. Для высокооборотных двигателей с целью уменьшения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс применяют более длинные шатуны, чем для малооборотных.

> – угол между осями шатуна и цилиндра, величина которого определяется по следующей зависимости:

Наибольшие углы > для современных автомобильных и тракторных двигателей составляют 12–18°.

Перемещение (путь) поршня будет зависеть от угла поворота коленчатого вала и определяться отрезком Х (см. рис. 1.20), который равен:

Рис.1.20.

1.4. Динамика кривошипно-шатунного механизма

Двигатели современных автомобилей и тракторов являются в большинстве случаев быстроходными, вследствие чего движущиеся детали их кривошипно-шатунного механизма перемещаются со значительными скоростями и ускорениями. В карбюраторных двигателях легковых автомобилей, например, ускорение поршня достигает 22000 м/с², а величина средней скорости поршня – 16 м/с.

Поэтому для надежного расчета быстроходного двигателя изучение всех сил, действующих в нем, является крайне необходимым. Основные силы, действующие в автомобильных и тракторных двигателях, следующие: силы давления газов, силы инерции, силы трения и силы сопротивления.

Силы инерции масс двигателя, которые движутся с переменными по величине и направлению скоростями, имеют место как при холостом ходе, так и при работе его под нагрузкой и для некоторых деталей двигателя являются основными расчетными силами.

В зависимости от характера движения силы инерции масс кривошипно-шатунного механизма можно распределить на три группы:

силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс;
силы инерции вращающихся масс;
силы инерции масс, совершающих сложное движение.

Для определения величины этих сил необходимо предварительно найти величины соответствующих масс.

1.5. Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания

Силы, возникающие при работе автомобильных и тракторных двигателей, можно разделить на два вида: уравновешенные и не уравновешенные.

Уравновешенными силами называют силы, равнодействующая которых по отношению к опорам двигателя равна нулю и которые при их суммировании не дают свободного момента. К таким силам относятся силы давления газов в цилиндре двигателя и силы трения.

К неуравновешенным силам относят силы, которые передаются на опоры двигателя: вес двигателя, реакции выпускных газов и движущихся жидкостей, центробежные силы инерции вращающихся масс двигателя, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, касательные силы инерции вращающихся масс, возникающие вследствие непостоянной угловой скорости вращения коленчатого вала.

Во всех поршневых двигателях имеет место также переменный реактивный момент, при любом положении коленчатого вала равный по величине, но противоположный по направлению крутящему моменту двигателя. В обычных автомобильных и тракторных двигателях реактивный момент уравновесить невозможно и во время работы он всегда передается на раму автомобиля или трактора.

Неуравновешенные силы, переменные по величине и направлению, могут вызвать вибрации, как двигателя, так и всего автомобиля или трактора, причем наибольшие сотрясения вызываются силами инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя.

С увеличением равномерности крутящего момента двигателя вибрации двигателя, зависящие от реактивного момента, уменьшаются.

Неуравновешенные силы, постоянные по величине и направлению, вибраций двигателя не вызывают.

Вибрации двигателя при недостаточной жесткости его деталей могут возникнуть также под действием переменных сил давления газов. Эти вибрации устраняются увеличением жесткости деталей двигателя. Для устранения отрицательных последствий, связанных с наличием вибраций, двигатель должен быть динамически уравновешен.

В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты сил, передаваемые на его опоры, постоянны по величине и направлению или равны нулю.

Уравновешивание современных автомобильных и тракторных двигателей можно осуществить двумя способами:

расположением определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной схемы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались;
созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным уравновешиваемым силам.

Очень часто оба эти способа применяются одновременно.

1.6. Равномерность хода и расчет маховика двигателя

В идеальном двигателе угловая скорость вращения коленчатого вала ^ считается постоянной.

В реальном двигателе даже при установившемся режиме работы угловая скорость ^ не остается постоянной, а колеблется в течение одного цикла. Это объясняется изменением величины крутящего момента двигателя М_к, от которого и зависит в первую очередь равномерность хода двигателя.

График изменения постоянного по индикаторной диаграмме крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя по углу поворота коленчатого вала. Площади, расположенные над осью абсцисс (F₂, F₅, F₇), представляют положительную работу, расположенные же под этой осью (F₁, F₃, F₄, F₆)– отрицательную.

Разность между положительными и отрицательными площадями представляет работу крутящего момента за рабочий цикл двигателя:

F_изб = (F₂ + F₅ + F₇) – (F₁ + F₃ + F₄ + F₆).

где АВ – длина отрезка в единицах длины,

а₁ – масштаб моментов.

Зная величину М_ср, неравномерность крутящего момента можно определить по коэффициенту К, который называется степенью неравномерности крутящего момента:

где М_max – максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

В некоторых случаях для оценки равномерности изменения крутящего момента пользуются коэффициентом неравномерности крутящего момента

где М_min – минимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

7.74

5.52

3.62

3.35

2.88

1.36

V12

1.16

С увеличением числа цилиндров коэффициенты К и K₁ уменьшаются. Примерная зависимость величины К от числа цилиндров i для четырехтактных бензиновых двигателей при полной нагрузке приведена в табл. 1.5.

Цилиндров

Таблица 1.5

Значения К от числа цилиндров

Степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом неравномерности хода двигателя:

Где ωср, ωмакс, ωмин_p – величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скорости вращения коленчатого вала в течение одного рабочего цикла двигателя при установившемся режиме его работы.

Для автомобильных и тракторных двигателей при номинальных оборотах значения .

Для одноцилиндрового двигателя необходимая равномерность хода двигателя может быть обеспечена лишь при наличии маховика значительных размеров, что отрицательно отражается на приемистости двигателя. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя автомобиля и трактора в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента условия работы двигателя и механизмов автомобиля и трактора заметно улучшаются.

2. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для осуществления в определенной последовательности выпуска продуктов сгорания и впуска свежего заряда. Газораспределительный механизм состоит из впускных и выпускных органов и деталей, передающих к ним движение от коленчатого вала.

2.1. Классификация и конструктивный обзор газораспределительных механизмов

Золотниковые механизмы газораспределения, несмотря на ряд преимуществ – возможность обеспечения больших проходных сечений впускных и выпускных отверстий, лучшие условия охлаждения и возможность в связи с этим некоторого повышения степени сжатия в бензиновых двигателях, бесшумность работы, не получили распространения из-за конструктивной сложности и дороговизны изготовления и ремонта в четырехтактных ДВС. Поэтому золотниковые механизмы газораспределения рассматриваться не будут.

В двухтактных ДВС часто в качестве золотника используется поршень. Такое газораспределение может быть названо золотниковым, хотя собственно механизм газораспределения в случае щелевой продувки отсутствует и его заменяет кривошипно-шатунный механизм.

В четырехтактных автотракторных двигателях широкое распространение получили клапанные механизмы газораспределения.

В некоторых двигателях с целью обеспечения надежной работы на высоких оборотах применяются без пружинные механизмы газораспределения с принудительным открытием и закрытием клапанов, или так называемые десмодромные механизмы. Принудительное открытие и закрытие клапанов осуществляется от самостоятельных кулачков или электромагнитами с очень большими ускорениями, что позволяет значительно увеличить коэффициент наполнения двигателя.

Наиболее широкое распространение в автотракторных двигателях получили пружинные клапанные механизмы газораспределения, конструктивный обзор которых, в зависимости от расположения клапанов, положения и привода распределительного вала, рассматривается ниже.

2.2. Привод к распределительному валу

Нижний распределительный вал чаще всего своей шестерней соединяется непосредственно с шестерней коленчатого вала. Только при большом удалении распределительного вала от коленчатого вала вводится промежуточная шестерня или цепная передача.

Верхние распределительные валы могут приводиться в движение при помощи системы промежуточных валов с коническими или винтовыми шестернями, а также с помощью цилиндрических шестерен, зубчатого ремня или цепи.

Двигатели внутреннего сгорания. 2 📙 Курсовая → 🆔 67183