1.2. Устройство и основные параметры двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем:

• кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
• газораспределительный механизм (ГРМ);
• система охлаждения;
• смазочная система;
• система питания;
• система зажигания (в карбюраторном двигателе);
• система электрического пуска двигателя.

В поршневом ДВС (рис. 1) преобразование энергии происходит в замкнутом объеме, который образован цилиндром, крышкой (головкой) цилиндра и поршнем. В карбюраторном двигателе горючая смесь вводится в цилиндр через впускной клапан, смешиваясь с остатками отработавших газов — образует рабочую смесь, которая сжимается поршнем и воспламеняется. Образовавшиеся при сгорании газы перемещают поршень, который через шатун передает усилие на кривошип коленчатого вала, поворачивая его вокруг оси. Отработавшие газы вытесняются при обратном движении поршня через выпускной клапан. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую, а возвратно-поступательное движение — во вращательное как наиболее удобный для трансформации вид движения.

Рис. 1.
Схема четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя:
1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — штанга; 6 — впускной клапан; 7 — коромысло; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — поршневые кольца; 11 — шатун; 12 — коленчатый вал; 13 — поддон

При вращении коленчатого вала поршень дважды за один оборот останавливается и меняет направление движения.

Основные параметры двигателей

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня (рис. 2).

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).

Рис. 2.
Основные положения кривошипно-шатунного механизма:
а — ВМТ; б — НМТ; V_c — объем камеры сгорания; V_h — 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 ε — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Индикаторная мощность N_i, мощность, развиваемая газами в цилиндре.

Эффективная (действительная) мощность N_e — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Эффективная мощность Ne меньше индикаторной N_i, так как часть последней затрачивается на трение и на приведение в движение вспомогательных механизмов. Эта мощность называется мощностью механических потерь N_м.

Механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя η_м — отношение эффективной мощности к индикаторной:

Индикаторный КПД η_i, представляет собой отношение теплоты Q_i эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте Q, введенной в двигатель с топливом.

Эффективный КПД η_е — отношение количества теплоты Q₂, превращенного в механическую работу на валу двигателя, ко всему количеству теплоты Q₁, подведенному в процессе работы.

Среднее эффективное давление р_е — произведение среднего индикаторного давления р_i (давление, действующее на поршень в течение одного хода поршня) на механический КПД η_м.

Удельный индикаторный расход топлива q_i — количество топлива, расходуемого в двигателе для получения в течение 1 ч индикаторной мощности 1 кВт.

Удельный эффективный расход топлива g_e — количество топлива, которое расходуется в двигателе для получения в течение 1 ч 1 кВт эффективной мощности.

Устройство и основные параметры двигателя

Поршневые автомобильные

Двигатели.

Глава 1

Устройство и основные параметры двигателя

Глава 2

Глава 3

Глава 4

Глава 5

Глава 6

Глава 7

Система питания карбюраторного двигателя

Глава 8

Система питания двигателя от газобаллонной установки

Глава 9

Система питания дизеля

Глава 10

Системы зажигания и электрического пуска

Устройство и основные параметры двигателя

Двигатель — энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. На большинстве современных автомобилей установлены поршневые (тепловые) двигатели, назы­ваемые двигателями внутреннего сгора­ния. В них теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах, преоб­разуется в механическую работу.

Классификация двигателей

Двигатель как источник механической энергии необходим для движения авто­мобиля.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируют по следую­щим признакам:

1) назначению — транспортные и ста­ционарные;

2) способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные;

3) способу смесеобразования — с внеш­ним смесеобразованием — карбюратор­ные или газовые и с внутренним сме­сеобразованием — дизели;

4) способу воспламенения рабочей сме­си—с принудительным воспламенением от электрической искры (карбюратор­ные, газовые и др.); с воспламенением от сжатия (самовоспламенение) — ди­зели;

5) виду применяемого топлива — кар­бюраторные, работающие на бензине; дизели, работающие на тяжелом ди­зельном топливе, и двигатели, работаю­щие на сжатом или сжиженном газе;

6) числу цилиндров — одноцилиндро­вые и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т. д.);

7) расположению цилиндров — одно­рядные с вертикальным расположением цилиндров в один ряд; однорядные с наклоном оси цилиндров от верти­кали на 20 — 40°; У-образные двухряд­ные, с расположением цилиндров под углом и с противоположным горизон­тальным расположением цилиндров (под углом 180°);

8) способу наполнения цилиндров све­жим зарядом — двигатели без наддува, в которых наполнение осуществляется за счет разрежения, создаваемого в ци­линдре, при движении поршня от ВМТк НМТ, и с

наддувом — наполнение цилиндра свежим зарядом происходит под давлением, которое создается комп­рессором;

9) охлаждению — с жидкостным или воздушным охлаждением.

Устройство и основные параметры двигателя

Двигатель внутреннего сгорания со­
стоит из механизмов и систем, выпол­няющих различные функции. Рассмот­рим устройство и принцип работы дви­гателя внутреннего сгорания на примере
четырехтактного одноцилиндрового

карбюраторного двигателя (рис. 6). В цилиндре 3 находится поршень с порш­невыми кольцами, соединенный с коленчатым валом 12 шатуном 11.

Рис. 6.

Схема четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя:

1 — распределительный вал; 2 — толкатель;

3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — штанга;

6 — впускной клапан; 7 —коромысло;

8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — поршневые кольца; // — шатун;

12 — коленчатый вал; 13 — поддон

При вра­щении коленчатого вала поршень совер­шает возвратно-поступательное движе­ние. Одновременно с коленчатым валом вращается распределительный вал 1, ко­торый через промежуточные детали (толкатель, штангу и коромысло) меха­низма газораспределения открывает или закрывает впускной 6 и выпускной 9 клапаны. На рис. 6 схематично пока­зано, что впускные и выпускные кла­паны приводятся в движение от раз­ных распределительных валов. В дей­ствительности все клапаны приводятся в движение от одного распределитель­ного вала. Когда поршень опускается вниз, открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает (за счет разреже­ния) горючая смесь (мелкораспыленное топливо и воздух), приготовленная в кар­бюраторе, которая при движении порш­ня вверх сжимается.

В работающем двигателе при появле­нии электрической искры между электро­дами свечи зажигания 8 смесь, сжатая в цилиндре, воспламеняется и сгорает. Вследствие этого образуются газы, име­ющие высокую температуру и большое давление. Под давлением расширяю­щихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. Так преобразуется пря­молинейное движение поршня во враща­тельное движение коленчатого вала. При открытии выпускного клапана и при движении поршня вверх из цилиндра удаляются отработавшие газы.

С работой двигателя связаны сле­дующие параметры.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня (рис. 7).

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).

Такт — часть рабочего цикла, проис­ходящая за один ход поршня.

Объем камеры сгорания — объем про­странства над поршнем при его поло­жении в ВМТ (рис. 7).

Рабочий объем цилиндра — объем про­странства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.

Основные положения кривошипно-шатунного механизма:

/ — объем камеры сгорания; 2 — рабочий объем цилиндра; 3 — полный объем цилиндра; S — ход поршня; D — диаметр цилиндра

Полный объем цилиндра — объем про­странства над поршнем при нахожде­нии его в НМТ. Очевидно, что полный объем V_а цилиндра равен сумме рабо­чего объема V_h, цилиндра и объема V_с камеры сгорания, т. е. V_а = V_н + V_с.

Литраж: двигателя (в л) для много­цилиндровых двигателей — это произве­дение рабочего объема V_н на число / цилиндров, т. е. V_л = V_нi

Степень сжатия е — отношение пол­ного объема V_а цилиндра к объему V_с камеры сгорания, т. е.

Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя. Если отношение S/D

Общее уcтройство и характерные параметры поршневых двигателей

Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой комплекс механизмов и систем, обеспечивающий преобразование в механическую работу части тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива непосредственно в цилиндрах.

Рис. Схема устройства типичного поршневого двигателя внутреннего сгорания:
а) продольный вид; б) поперечный вид

Схема типичного поршневого двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке. В зависимости от назначения и класса таких двигателей их конструкции имеют различную сложность, но все они состоят из следующих основных деталей: цилиндра 5, крышки цилиндра 1, поршня 4 , шатуна 14, вала 8, маховика 7 и картера 6.

Цилиндр, его крышка, картер и различные вспомогательные корпусные и прочие неподвижные элементы конструкции двигателя прочно скрепляются между собой с помощью резьбовых соединений, а некоторые из них, как картер и цилиндры, в автомобильных двигателях часто отливаются совместно.

Цилиндр 5 с помощью фланца крепится к верхней половине картера 6 и закрывается крышкой 1, называемой головкой цилиндра.

Картер служит основанием для цилиндров, в нем также размещается вал 8 двигателя. Картер автомобильных двигателей изготовляется литым, чаще всего разъемным, состоящим из двух половин, стенки его усиливаются ребрами жесткости. Нижней, не несущей его частью является литой или штампованный поддон 9.

В цилиндр 5 вставлен поршень 4, имеющий форму стакана, с повернутым в сторону головки цилиндра днищем. При движении поршня стенки цилиндра служат для него направляющими. Уплотняется цилиндр поршневыми кольцами 2. В полости цилиндра, заключенной между днищем поршня и крышкой 7, происходят все основные и вспомогательные процессы, связанные с окислением (сжиганием) топлива и преобразованием части выделяющегося при этом тепла в механическую работу.

Читайте также:  Перечень работ выполняемых при то 1 ходовой части пожарного автомобиля

Перемещение поршня в цилиндре передается на вал 8 с помощью связующего их звена — шатуна 14, имеющего форму профильного стержня с двумя головками. Одна головка, соединяющая его стержень с шейкой 11 колена или кривошипа вала 8, называется большой, или нижней, головкой. Другая головка, через отверстие которой проходит поршневой палец 3, обеспечивающий необходимое шарнирное соединение шатуна с поршнем, называется малой или верхней головкой.

Длина шатуна определяется величиной l, равной расстоянию между осями его верхней и нижней головок. Для каждого цилиндра или группы их на валу 8 имеется отдельное колено, образованное цапфой 11 кривошипа, щеками 10 и опорными шейками 13, поэтому вал двигателя называют коленчатым.

Размер кривошипа (колена) определяется радиусом r, равным расстоянию между осью вращения коленчатого вала и осью цапфы кривошипа.

В двигателях с разъемным картером коленчатый вал вращается в опорных подшипниках 12, расположенных в верхней части картера 6. Эти подшипники и соответствующие им опорные шейки 13 коленчатого вала называют коренными. Цапфу 11 кривошипа, шарнирно связывающую вал 8 с нижней головкой шатуна 14, в двигателях автомобильного типа называют шатунной шейкой.

В судовых и стационарных двигателях цапфу кривошипа называют иногда мотылевой; коренные шейки 13 — рамовыми, а часть корпуса (остова), несущую коренные опоры, — рамой.

На коленчатом валу 8 крепится маховик 7, выполненный в виде литого диска с массивным ободом. Энергия маховика, накапливаемая им при вращении, расходуется на вспомогательные процессы в цилиндре двигателя. В одноцилиндровых двигателях кинетическая энергия маховика обеспечивает вывод кривошипно-шатунного механизма из мертвых (крайних) его положений.

Безразмерной характеристикой кривошипно-шатунного механизма считают отношение радиуса r кривошипа к длине l шатуна. В поршневых двигателях внутреннего сгорания это отношение определяется из условий незадевания шатуна за стенку цилиндра и поршня о коренные подшипники при внешнем крайнем его положении.

В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом возвратнопоступательное движение поршня вдоль оси цилиндра вызывает вращательное движение коленчатого вала около своей продольной оси, расположенной перпендикулярно коси цилиндра. И, наоборот, вращение коленчатого вала вызывает соответствующее перемещение поршня в цилиндре.

Для двигателя, схематично изображенного на рисунке, наибольшее перемещение поршня или его ход равен удвоенному радиусу кривошипа:

Следовательно, ход поршня — это расстояние между двумя крайними его положениями в цилиндре, занимаемыми им последовательно при каждом полуобороте вала двигателя (через каждые 180° поворота). Положение поршня, при котором он максимально удален от оси коленчатого вала, условно называется внутренней или верхней мертвой точкой (сокращенно в.м.т.), а положение, при котором поршень находится на минимальном расстоянии от оси вала, называется наружной или нижней мертвой точкой (н.м.т.).

Необходимо отметить, что мертвые точки присущи механизму и соответствуют таким двум положениям кривошипа (или колена), при которых шатун и кривошип вытянуты в одну линию, как это имеет место в рассматриваемом соосном механизме (ось цилиндра в котором пересекается с осью коленчатого вала). В общем случае мертвыми точками называют такие положения, при которых поршень меняет направление своего движения, и скорость его перемещения становится равной нулю.

Ход поршня S и диаметр цилиндра D относятся к главным оценочным параметрам двигателя, определяющим основные его размеры. В поршневых двигателях отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D изменяется примерно в пределах от 0,7 до 2,2. Если двигатель имеет S/D