Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

nataliyatovmach.pro

Асинхронный электродвигатель. Принцип работы. Динамическое торможение.

Привод шахтных подъемных машин

Асинхронные электродвигатели допускают высокую перегрузку по моменту (1,8-2,5 номинального момента), что как подъемный двигатель работает с перегрузкой в период пуска и при маневрах с подъемными сосудами у приемных площадок. Наиболее распространенной системой асинхронного привода подъемных машин является асинхронный двигатель с фазным ротором и активным регулированием сопротивлением в цепи ротора.

Подъемный двигатель, соединенный с коренным валом подъемной машины через редуктор, подключают к сети трехфазного переменного тока с помощью масляного выключателя. Статор подъемного двигателя соединяют с масляным выключателем через реверсивный переключатель (реверсор), имеющий контакторы В для хода “вперед” и Н – “назад”. Наличие контакторов позволяет дистанционно (на расстоянии) переключать подъемный электродвигатель для хода “вперед” и “назад. Управляют реверсором с помощью командоконтроллера.

Ротор электродвигателя соединен с пусковым сопротивлением представляющим собой набор металлических сопротивлений различной величины, укомплектованных в стандартные ящики. Регулирование скорости подъемного двигателя осуществляется изменением величины сопротивления, включенного в цепь ротора.

Чем больше сопротивление введено в цепь ротора, тем меньше скорость вращения при той же самой внешней нагрузке и, наоборот, чем меньше соприкосновение в цепи ротора, тем больше его скорость.

Наиболее распространенное управление подъемным двигателем – контакторное с металлическим пусковым сопротивлением.

Пуск в ход и разгон подъемного двигателя осуществляют постепенно включением контакторов ускорения, которые своими силовыми контактами замыкают накоротко отдельные ступени пускового сопротивления, уменьшая его величину в цепи ротора.

При ручном управлении контакторами ускорения переключение их производится таким образом, чтобы развиваемый подъемным двигателем момент колебался около среднего заданного момента, определяющего среднее заданное ускорение подъемной системы.

Кроме механического торможения подъемных машин могут быть использованы и различные виды электрического торможения, из которых для асинхронного привода может быть применено только динамическое торможение.

Динамическое торможение подъемных машин

На подъемных установках шахт для получения пониженных скоростей при спуске людей и грузов и для оперативных замедлений при отрицательных усилиях применяют динамическое торможение асинхронных подъемных двигателей. Сущность динамического торможения заключается в том, что в период замедления или при спуске груза асинхронный подъемный двигатель отключается от сети переменного тока.

Р отор его, замкнутый накоротко или на сопротивление, вращается под действием внешней силы (опускающейся бадьи) а в обмотку статора включен постоянный ток.

Протекая по обмоткам статора, постоянный ток создает неподвижное в пространстве магнитное поле, наведящее во вращающейся замкнутой обмотке ротора переменный ток. Взаимодействие переменного тока вращающегося ротора с неподвижным магнитным полем статора создает тормозной момент.

Регулирование развиваемого подъемным двигателем тормозного момента при динамическом торможении осуществляется изменением сопротивления в цепи ротора или изменением тока возбуждения статора двигателя. Полностью остановить двигатель с помощью динамического торможения нельзя, так как при уменьшении скорости вращения уменьшается и тормозной момент, развиваемый двигателем.

Все механические характеристики асинхронного двигателя, работающего в режиме динамического торможения и управляемого с помощью металлических сопротивлений, могут быть рабочими при различных скоростях вращения ротора и постоянном моменте для всех ступеней сопротивления.

Длительной эксплуатацией, а также специальными исследованиями установлено, что динамическое торможение подъемных машин превосходит по высоким технико-экономическим показателям все остальные виды электрического и механического торможения:

1. возможность регулирования скорости в больших пределах, что исключает применение механического тормоза для создания пониженных скоростей или рабочих замедлений; механический тормоз используют только для окончательного стопорения машины и аварийной остановки.
2. плавное, без рывков изменение скорости, что значительно сокращает износ подъемных канатов, редуктора и подшипников;
3. Простота в управлении подъемной машиной (машинист управляет одной рукояткой механического тормоза);
4. Благодаря созданию плавных, но интенсивных замедлений и простоте управления продолжительность подъемного цикла сокращается, а производительность подъемной установки повышается.
5. применение динамического торможения не вызывает опасных или вредных режимов работы подъемного двигателя.

К недостаткам характеристик динамического торможения относится их мягкость при работе двигателя с большим сопротивлением в цепи ротора, когда малое изменение внешнего момента вызывает значительное изменение скорости вращения двигателя.