Тех устройство двигателя тракторов
Основу поршневого двигателя внутреннего сгорания составляет блок цилиндров, внутри и снаружи которого располагаются детали его механизмов и систем.
Сверху блок цилиндров закрыт головкой, а снизу поддоном.
В передней части укреплен картер распределительных шестерен, а в задней — картер маховика.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В число механизмов и систем двигателя, а также их основных показателей входят следующие.
Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня (поршней) во вращательное коленчатого вала. Кроме того, он участвует в преобразовании тепловой энергии в механическую.
Действие механизма состоит в том, что поршень, совершая возвратно-поступательное движение через шатун, вращает коленчатый вал 1 в подшипниках.
При возвратно-поступательном движении поршни занимают различные положения, при которых изменяется объем цилиндра.
Верхняя мертвая точка (в. м.т.) — такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от дна поршня до оси коленчатого вала наибольшее.
Нижняя мертвая точка (н. м.т.) — положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от дна поршня до оси коленчатого вала наименьшее.
Ход поршня S равен перемещению его между мертвыми точками.
Рабочий объем цилиндра Vh — равен объему, освобожденному поршнем, при движении от в. м. т. к н. м. т.
Объем камеры сжатия Ус — объем, образующийся над поршнем, когда он находится в в. м. т.
Рис. 1. Основные части двигателя внутреннего сгорания:
1 — кривошипно-шатунный механизм; 2 — газораспределительный механизм; 3— система питания; 4 — система охлаждения; 5 — вентиляция картера; 6 — уравновешивающий механизм; 7 — смазочная система; 8 — система пуска; 9 — поддон; 10 — блок цилиндров; 11 — головка цилиндров.
Газораспределительный механизм (см. рис. 3) предназначен для сообщения камеры сгорания цилиндра (в строго установленные моменты) с впускным и выпускным каналами двигателя.
Уравновешивающий механизм устанавливают на некоторых двигателях для устранения вредного действия инерционных сил, возникающих при работе криво-шипно-шатунного механизма.
Системы питания и регулирования служат для очистки воздуха и топлива от механических примесей и воды и подачи их в камеру сгорания, а также для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала двигателя во время его работы с переменными нагрузками.
Смазочная система обеспечивает очистку и подачу чистого масла к рабочим поверхностям деталей двигателя для уменьшения трения и отвода излишней теплоты от них.
Система охлаждения отводит избыточную теплоту от деталей двигателя и поддерживает необходимый тепловой режим во время его работы.
Система пуска используется для вращения коленчатого вала при пуске двигателя.
Система зажигания применяется у двигателей, работающих на бензине, для воспламенения рабочей смеси. У тракторных двигателей, работающих на дизельном топливе, такая система отсутствует, а топливо самовоспламеняется от высокой температуры, образующейся в камере сгорания на такте сжатия.
Вентиляция картера двигателя. Во время работы двигателя, через неплотности между поршневыми кольцами и цилиндрами, из камер сгорания в картер поступают продукты сгорания, воздух, пары топлива и воды. Эти вещества, попадая в картер и перемещаясь с распыленным маслом, вызывают его ускоренное старение, коррозию деталей двигателя, создают в камере повышенное давление и утечку масла через различные уплотнения двигателя.
Рис. 2. Схема двигателя:
а — поршень в верхней мертвой точке; б — поршень в нижней мертвой точке; 1 — коленчатый вал; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — цилиндр.
Для того чтобы избежать повышения чрезмерного давления, на двигателе устанавливают устройство под названием сапун, при помощи которого картер сообщается с атмосферой, окружающей двигатель; через него и выходят наружу все прорвавшиеся газы из камеры сгорания. Если в картере двигателя после прекращения его работы давление остывшего в нем воздуха окажется ниже атмосферного, то воздух из атмосферы войдет через сапун в картер и устранит вакуум.
Сапуны у разных двигателей делают по-разному: у одних, например, сапун представляет собой трубку А, у основания которой установлена фильтрующая набивка из стальной проволоки, предназначенной для защиты картера от попадания в него пыли, песка и предотвращения выброса из картера масла в атмосферу. У других двигателей сапун Б соединен с крышкой заливного патрубка для заправки маслом.
На отечественных тракторах установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания. Принцип их работы основан на свойстве нагреваемых газов расширяться.
Ниже приведено назначение механизмов и систем двигателей.
Кривошипно-шатунный механизм воспринимает силу давления газов, нагревшихся при сгорании топливовоздушной смеси, и преобразует возвратно-поступательное движение поршйя во вращательное движение коленчатого вала. Этот механиз двигателя состоит из цилиндра с головкой, поршня с кольцами поршневого пальца, шатуна, коленчатого вала, маховика картера (с поддоном).
Распределительный механизм своевременно впускает в цилиндр топливовоздушную смесь (у карбюраторных двигателей) или воздух (у дизелей) и выпускает из цилиндра отработавшие газы. Механизм образуют распределительный вал, шестерни, клапаны и их пружины, коромысла, штанги и толкатели.
Система питания и регулирования обеспечивает двигатель нужным количеством топливовоздушной смеси определенного состава.
Система охлаждения поддерживает нормальный тепловой режим работающего двигателя.
Система смазки подает масло к трущимся деталям двигателя, которое уменьшает трение и износ.
Система зажигания обеспечивает у карбюраторных двигателей воспламенение в цилиндре рабочей смеси.
Система пуска обеспечивает пуск двигателя.
Если перемещать поршень в цилиндре, коленчатый вал начнет вращаться, и наоборот, если вращать коленчатый вал, поршень будет двигаться вверх и вниз, т. е. возвратно-поступательно.
Крайние положения поршня называют мертвыми точками: в верхней мертвой точке ( ВМТ ) поршень наиболее удален от оси коленчатого вала, а в нижней ( НМТ ) максимально приближен к оси коленчатого вала. В мертвых точках скорость поршня равна нулю.
Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом S поршня. Ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала.
Пространство цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ , называют камерой сгорания (Vc), а пространство над поршнем, когда он находится в НМТ , — полным объемом цилиндра (Уд).
Пространство, освобожденное поршнем при перемещении из ВМТ к НМТ , называется рабочим объемом цилиндра (Vh). Это разность между полным объемом цилиндра и объемом камеры сгорания.
Рис. 3. Одноцилиндровый поршневой двигатель:
а — схема устройства; б — основные обозначения;
1 — коленчатый вал; 2 — маховик; 3—картер; цилиндр; 5 — шатун; 6 — поршень; 7 — поршневой палец; 8 — головка цилиндра; 9 — канал для впуска воздуха или горючей смеси; 10 и 15 — клапаны; 11 и 14 — пружины клапанов; 12 и 13 — коромысла; 16 — канал для выпуска отработавших газов; 11 — штанга толкателя; 18 — толкатель; 19 — кулачок; 20 — распределительный вал; 21 и 22 — шестерни привода распределительного вала.
Устройство тракторных двигателей
Двигателем называется машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. В тракторных двигателях эта работа совершается за счет тепловой энергии, которая выделяется в цилиндрах двигателя при сгорании в них топлива. Такие двигатели называются тепловыми двигателями внутреннего сгорания.
Классификация тракторных двигателей
по способу воспламенения горючей смеси:
— двигатели с воспламенением от электрической искры — карбюраторные двигатели;
— с воспламенением от теплоты сжатия (самовоспламенением) — дизели;
по выполнению рабочего цикла:
— четырехтактные, у которых полный цикл завершается за четыре хода поршня или два оборота коленвала;
— двухтактные, у которых полный цикл завершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.
По числу цилиндров различают двигатели одноцилиндровые (ПД-10У), двухцилиндровые (Д-21), четырехцилиндровые (Д-37 Е, АМ-41, Д-240), шестицилиндровые (АМ-01, СМД-60, СМД-62), двенадцатицилиндровые (двс ЯМЗ-240Б);
— по расположению цилиндров бывают двигатели с однорядным и двухрядным (V-образные) расположением цилиндров;
— по виду применяемого топлива бывают двигатели, работающие на жидком (бензин, дизельное топливо) и на газообразном топливе.
Кроме того, различают двигатели с водяным и воздушным охлаждением.
Основные определения, связанные с работой двигателя
В основу работы двигателя внутреннего сгорания положено свойство всех газов при нагревании расширяться. Возьмем закрытый с одной стороны цилиндр и поместим в него поршень, который под действием своего веса сожмет воздух, находящийся в цилиндре.
Если нагревать этот воздух, то он будет расширяться, в результате чего давление на поршень возрастет и поршень поднимется, совершая механическую работу. Для нагрева воздуха в цилиндре используется жидкое или газообразное топливо. Для сгорания топлива его смешивают с кислородом воздуха. Смесь, составленная из паров топлива и воздуха, называется горючей смесью.
При сгорании топлива выделяется тепло, под действием которого газы расширяются и давят на поршень, вставленный в цилиндр, заставляя его перемещаться. Поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма превращается во вращательное движение коленчатого вала. С него крутящий момент передается через силовую передачу на ведущие колеса ходовой части.
Поскольку поршень связан с коленвалом шатуном, то его движение вверх и вниз ограничивается двумя крайними положениями, которые называются мертвыми точками. Крайнее положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленчатого вала двигателя является наибольшим, называется верхней мертвой точкой (ВМТ).
Схема преобразования тепловой энергии в механическую работу. Основные размеры поршневого двигателя внутреннего сгорания: сжатый в цилиндре воздух удерживает поршень с грузом; при нагревании давление воздуха повышается, расширяясь, воздух поднимает поршень с грузом и производит механическую работу; при сгорании в цилиндре рабочей смеси давление газов повышается значительно сильнее и они выталкивают поршень вместе с грузом, на котором расстояние его от оси коленчатого вала наименьшее, называется нижней мертвой точкой (НМТ).
Расстояние по оси цилиндра между ВМТ и НМТ называется ходом поршня, он равен двум радиусам кривошипа коленвала. При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на половину оборота, то есть на 180°. За один оборот коленчатого вала поршень делает два хода. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра; он выражается в см3 или в литрах.
В многоцилиндровых двигателях сумма объемов всех цилиндров, выраженная в литрах, называется литражом двигателя. При положении поршня в ВМТ над ним остается пространство, называемое камерой сжатия или камерой сгорания. Сумма объемов камеры сжатия и рабочего объема цилиндров называется полным объемом цилиндра.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия представляет собой степень сжатия: Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха в цилиндре при сжатии их поршнем.
Для того чтобы двигатель работал, необходимо сначала цилиндр заполнить горючей смесью или воздухом (у дизеля). Этот процесс называется процессом наполнения или впуска. Затем воздух или смесь в цилиндре сжимают (процесс сжатия), и в сжатый сильно нагретый воздух впрыскивают топливо или смесь, воспламеняющуюся от электрической искры (у карбюраторного двигателя).
После сгорания топлива, расширяющиеся газы давят на поршень и, перемещая его, совершают механическую работу. Этот процесс называется рабочим ходом или процессом расширения. И наконец, необходимо удалить из цилиндра отработавшие газы (процесс выпуска).
Периодически повторяющийся в цилиндре комплекс процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение, выпуск), в результате которых тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую работу, называется рабочим циклом двигателя. Часть рабочего цикла, которая происходит в цилиндре за один ход поршня, называют тактом.
Двигатель, в котором рабочий цикл совершается за два такта (один оборот коленчатого вала), называют двухтактным. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (такта) или два оборота коленчатого вала, называются четырехтактными.
Для поступления в цилиндр воздуха или горючей смеси и удаления отработавших газов в головке цилиндра имеются впускное и выпускное отверстия, которые в строго определенные моменты открываются и закрываются клапанами газораспределительного механизма.
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизеля
Такт впуска. Поршень движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в цилиндре над поршнем. Благодаря этому через открытый впускной клапан в цилиндр поступает чистый воздух, предварительно очищенный в воздухоочистителе. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: такт впуска; такт сжатия; такт расширения; такт выпуска.
Такт сжатия. Оба клапана впускной и выпускной закрыты. Поршень движется к ВМТ и сжимает в цилиндре воздух. Вследствие высокой степени сжатия у дизелей (е= 14-18) давление воздуха в конце такта сжатия достигает 35-40 кгс/см2, а температура воздуха повышается до 500-700С. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в камеру сгорания через форсунку под высоким давлением (120-170 кгс/см2) впрыскивается топливо. Мелко распыленное топливо соприкасается с горячим воздухом и воспламеняется. Температура газов поднимается до 1600-2000С, а давление в цилиндре до 55-90 кгс/см2.
Такт расширения. В начале этого такта происходит догорание топлива. Оба клапана закрыты. Поршень под давлением газов движется к НМТ и при помощи шатуна вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу рабочего хода давление снижается до 3-4 кгс/см2, а температура газов до 800-900С.
Такт выпуска. При такте выпуска открыт выпускной клапан и движущийся к ВМТ поршень выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Затем цикл повторяется.
Особенности рабочего цикла карбюраторного четырехтактного двигателя
Отличительные особенности рабочего цикла карбюраторного двигателя следующие. При такте впуска в цилиндр двигателя засасывается горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, а не чистый воздух как у дизеля.
При такте сжатия горючая смесь в карбюраторном двигателе сжимается до меньших (7-12 кгс/см2) давлений во избежание преждевременного воспламенения ее. Увеличивать степень сжатия в карбюраторном двигателе выше определенного значения нельзя, так как сгорание смеси будет происходить с большими скоростями типа взрыва. Это явление называется детонацией; она вызывает резкое увеличение нагрузок на детали, их повышенный износ и снижение мощности двигателя. Поэтому степень сжатия у карбюраторного двигателя находится в пределах е=4,5-9,0.
В отличие от дизеля, где топливо самовоспламеняется, в карбюраторном двигателе рабочую смесь воспламеняют электрической искрой, что вызывает необходимость иметь систему зажигания.
С увеличением степени сжатия повышаются мощность и экономичность работы. Дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия и поэтому полезная работа у них больше, чем у карбюраторных. Для совершения одной и той же работы дизели расходуют на 25—30% меньше топлива, то есть они экономичнее карбюраторных двигателей. Кроме того, дизели работают на более тяжелом и дешевом топливе, что определило их широкое распространение и установку на всех тракторах отечественного производства.
Рабочий цикл двухтактных двигателей
Двухтактные двигатели могут быть карбюраторными и дизелями. На тракторах наибольшее распространение получили одноцилиндровые двухтактные карбюраторные двигатели (ПД-10У, П-350), которые используются в качестве пусковых двигателей дизелей.
Рассмотрим рабочий цикл такого двигателя. В двухтактном двигателе нет клапанов. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов осуществляются через впускные, продувочные и выпускные окна, которые в определенные моменты открываются и закрываются поршнем при его перемещении в цилиндре.
Процессы рабочего цикла протекают не только в цилиндре над поршнем, но и в пространстве под поршнем — в кривошипной камере, для чего ее делают герметичной. Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя изображена на рис. Рабочий цикл в двигателе происходит следующим образом.
1 такт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и сжимает ранее поступившую в цилиндр смесь, то есть в цилиндре над поршнем происходит процесс сжатия; одновременно под поршнем, в кривошипной камере, движущийся вверх поршень создает разрежение и как только «юбка» поршня откроет впускное окно канала, горючая смесь из карбюратора засасывается в кривошипную камеру. При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи проскакивает искра и воспламеняет смесь, находящуюся в цилиндре над поршнем.
2 такт. Под действием расширяющихся газов поршень движется из ВМТ вниз, совершая полезную работу. Рабочий ход заканчивается тогда, когда поршень откроет выпускное окно канала и отработавшие газы под давлением будут выбрасываться через выпускную трубу в атмосферу.
Одновременно движущийся вниз поршень сжимает горючую смесь под ним. И как только поршень откроет продувочное окно, сжатая смесь из кривошипной камеры через продувочное окно поступает в цилиндр двигателя, вытесняет отработавшие газы и заполняет цилиндр свежей смесью.
Этот процесс называют продувкой цилиндра. Затем поршень идет вверх, закрывает продувочное и выпускное окно и начинает сжимать смесь в цилиндре, то есть рабочий процесс повторяется в той же последовательности. Во время продувки цилиндра часть горючей смеси вылетает из него вместе с выхлопными газами, что увеличивает расход топлива двигателями.
В двухтактных дизелях продувка цилиндра осуществляется чистым воздухом, а топливо впрыскивается в цилиндр в конце сжатия и самовоспламеняется, поэтому двухтактные дизели экономичны и получили широкое распространение на автомобилях большой грузоподъемности.
Кроме того, у двухтактного двигателя рабочий ход совершается при каждом обороте коленчатого вала и, следовательно, его мощность на 60-70% больше мощности четырехтактного двигателя такого же литража.
Многоцилиндровые двигатели
В одноцилиндровом двигателе такт рабочего хода или расширения совершается один раз за два оборота коленвала. Вследствие этого вал вращается неравномерно — то быстрее при рабочем ходе, то медленнее при остальных тактах.
Для более равномерного вращения коленвала на нем приходится укреплять большой и тяжелый маховик. Кроме того, одноцилиндровый двигатель не может развивать большой мощности.
Механизмы и системы двигателя
Работа двигателя характеризуется мощностью и расходом топлива. При сгорании топлива внутри цилиндра расширяющиеся газы давят на поршень с определенной силой, которая передается через шатун на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент двигателя и совершая работу.
Работа, выполняемая в единицу времени, называется мощностью и измеряется лошадиными силами (л. с.) или киловаттами (кВт). Работа, совершаемая газами внутри цилиндра двигателя в единицу времени, называется индикаторной мощностью.
Часть этой мощности расходуется в самом двигателе на трение деталей, а также на привод различных механизмов: топливного, масляного и водяного насосов, генератора, вентилятора и других механизмов.
Поэтому с коленчатого вала двигателя снимается мощность меньшая, чем индикаторная, на величину механических потерь в двигателе, которая называется эффективной мощностью.
