Будова двигуна та його робота

для проведення занять з навчальної дисципліни «Автомобільна техніка» Тема: “Будова двигуна та його робота” м. Суми – 200 р. 1. Будова двигуна та його робота Вступна частина Товариші курсанти! Сьогодні ми приступаємо до вивчання однієї з складових частин автомобіля – двигуна. На автобусах, легкових та вантажних автомобілях можуть встановлюватися двигуни внутрішнього згоряння,

електричні парові та газотурбінні. Найбільше розповсюдження отримали поршневі двигуни внутрішнього згоряння, тобто такі двигуни, всередині циліндрів яких згоряє паливо-повітряна суміш. Теплова енергія, яка виділяється, за допомогою механізмів та систем перетворюється в механічну енергію і у вигляді крутного моменту через трансмісію підводиться до ведучих коліс автомобіля, приводячи його в рух. Такі двигуни мають достатню потужність, відносно невеликі розміри та масу, компактні, надійні,

мають значний запас ходу, технологія їх виготовлення добре налагоджена, заводи мають відповідні інженерні кадри і станочне обладнання, а робітники – високу кваліфікацію, тому виготовлення двигуна коштує відносно недорого, а строк служби значний. Основна частина 1. Будова і схеми роботи одноциліндрового і багатоциліндрового двигунів внутрішнього згоряння(ДВЗ). Класифікація ДВЗ Двигуном називається машина, в якій той або

інший вид енергії перетворюється в механічну роботу. Двигуни, в яких теплова енергія перетворюється в механічну роботу є тепловими. Двигуни, в яких паливо згоряє безпосередньо всередині циліндра і енергія газів, які при цьому утворюються, сприймається рухомим в циліндрі поршнем, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ). Такі двигуни, в основному, використовуються на сучасних автомобілях.
Найпростіший поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ущільнювальними) кільцями, що має форму стакана з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун зв’язаний з колінчастим валом, який обертається в корінних підшипниках розташованих у картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік

і шатунної шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал утворюють так званий кривошипно-шатунний механізм, який перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Зверху циліндр накритий головкою з клапанами, відкриття і закриття яких точно узгоджене з обертанням колінчастого вала, а отже і з переміщенням поршня. Переміщення поршня обмежується двома крайніми положеннями, при яких його швидкість

дорівнює нулю: верхньою мертвою точкою (ВМТ), що відповідає найбільшому віддаленню поршня від вала; нижньою мертвою точкою (НМТ), яка відповідає найменшому його віддаленню від вала. Безупинний рух поршня через мертві точки забезпечується маховиком, що має форму диска з масивним ободом. Відстань, що її проходить поршень між мертвими точками, називається ходом поршня Sh, а відстань між осями корінних і шатунних шийок – радіусом кривошипа

R. Хід поршня дорівнює двом радіусам кривошипа: =2R. Об’єм, що його описує поршень за один хід, називається робочим об’ємом циліндра (літражем) Vп. Об’єм над поршнем Vc у положенні ВМТ називається об’ємом камери згоряння (стиску). Сума робочого об’єму циліндра та об’єму камери згоряння є повним об’ємом циліндра Vп=Vsh+Vc. Відношення повного об’єму циліндра до об’єму камери згоряння називається
ступенем стиску: Vп/Vc=E. Ступінь стиску є важливим параметром двигунів внутрішнього згоряння, оскільки дуже впливає на їх економічність і продуктивність. Принцип роботи. Дія поршневого двигуна внутрішнього згоряння грунтується на використанні роботи розширення нагрітих газів під час руху поршня від ВМТ до НМТ. Нагрівання газів у положенні ВМТ досягається в результаті згоряння у циліндрі палива, змішаного з повітрям.

При цьому підвищується температура газів і їх тиск. Оскільки тиск під поршнем дорівнює атмосферному, а в циліндрі він набагато більший, то під дією різниці тисків поршень переміщуватиметься вниз, при цьому гази розширюються, здійснюючи корисну роботу. Робота, виконувана газами, що розширюються, за допомогою кривошипно-шатунного механізму передається колінчастому валу, а від нього на трансмісію і колеса автомобіля.

Щоб двигун постійно виробляв механічну енергію, циліндр треба періодично заповнювати новими порціями повітря через впускний клапан і палива через форсунку або подавати через впускний клапан суміш повітря з паливом. Продукти згоряння палива після їх розширення видаляються з циліндра через випускний клапан. Це завдання виконують механізм газорозподілу, що керує відкриттям і закриттям клапанів, і система подачі палива. При роботі двигуна встановлюють певну послідовність чергування

тактів, яку називають порядком роботи двигуна. Для рівномірного обертання колінчастого вала і плавної роботи двигуна конструктори прагнуть встановити такий порядок роботи, щоб робочі ходи в окремих циліндрах чергувались через рівні кути повороту колінчастого валу. Порядок роботи двигуна залежить від кількості і розміщення його циліндрів і конструктивної схеми взаємного розміщення кривошипів колінчастого вала.
Порядок роботи забезпечується також своєчасним відкриванням і закриванням клапанів і запалюванням робочої суміші, тобто роботою механізма газорозподілення і системи запалювання. По способу здійснення робочого процесу поршневі двигуни внутрішнього згоряння бувають із зовнішнім сумішеутворенням і запалюванням горючої суміші від електричної іскри із внутрішнім сумішеутворюванням і самозапалюванням суміші внаслідок високої температури стиснутого

повітря (дизелі). Перші із них по виду палива, яке використовується, діляться на дві групи: карбюраторні, які працюють на легкому рідкому паливі (бензині), і газові, які працюють на газу (генераторному, природному тощо). Робочий цикл і конструкція цих двигунів однакові. В карбюраторних і газових двигунах горюча суміш палива або газу з повітрям готується поза циліндра за

допомогою спеціального прилада – карбюратора або змішувача. Приготована горюча суміш поступає в циліндри і запалюється від стороннього джерела тепла (електричної іскри). Двигуни з внутрішнім сумішеутворюванням і запалюванням від стиску – дизелі – працюють на важкому рідкому (дизельному) паливі. В них суміш готується всередині циліндра із повітря і палива, подаваємих в циліндр роздільно.

Запалювання суміші відбуваються в результаті підвищення температури повітря при сильному його стиску в циліндрі. По числу тактів, за час яких здійснюється повний робочий процес двигуни діляться на двотактні і чотиритактні. В перших із них всі процеси (робочий цикл) здійснюються за два ходи поршня, тобто за один оберт колінчастого вала, а в других робочий цикл відбувається за чотири хода поршня, тобто за два оберти колінчастого вала. 1. Сумішеутворення. Процес сумішеутворення плягає в змішуванні бензину в розпиленому
стані з повітрям в певній пропорції. Суміш парів бензину з повітрям називається горючою сумішшю, яка в циліндрі двигуна разом з залишковими газами утворює робочу суміш. Горіння – це процес з’єднання з киснем, що супроводжується виділенням тепла. Для згоряння 1 кг бензину теоретично потрібно 15 кг повітря.α Кількість повітря в суміші може бути меншою або більшою теоретичного.

В залежності від цього розрізняють наступні види сумішей: нормальна, збіднена, бідна, збагачена, багата. Склад суміші в залежності від співвідношення палива і повітря характеризується надлишком повітря(). α = Ĺд/Ĺт, – Ĺд – фактична кількість повітря, яка приходиться на 1 кг палива; – Ĺт – теоретична кількість повітря на 1 кг палива. Це відношення називається коефіцієнтом надлишку повітря

і є відношенням дійсної кількості повітря до теоретично необхідної кількості для повного згоряння палива в ній. Нормальною називається суміш, в якій на 1 кг палива приходиться 15 кг повітря (=1,0). В збідненій є невеликий надлишок повітря ( = 1,05 – 1,15). В бідній – значний надлишок повітря ( = 1,2–1,25). Збагаченою називається суміш, яка має невелику нестачу повітря ( = 0,8–0,95).

Багата – значна нестача повітря ( = 0,4–0,8). Вимоги до складу суміші при роботі двигуна на режимах: Режим пуску двигуна. При пуску холодного двигуна необхідна багата горюча суміш з  = 0,4–0,6. Це необхідно тому, що значна частина палива в циліндри не попадає, а залишається у вигляді конденсату на стінках впускного трубопроводу. Режим холостого ходу – суміш необхідна також багата з 
= 0,6–0,8, так як дросельна заслінка прикрита, наповнення циліндра повітрям погіршується. Режим часткових (середніх) навантажень – суміш необхідна збіднена (економічна) з  = 1,05–1,15, так як від двигуна повної потужності не потрібно і він працює більш економічно. Режим повних навантажень – суміш повинна значно збагачуватись, що необхідно для швидкого збільшення швидкості обертання колінчастого вала двигуна і підвищення його потужності, тобто щоб двигун мав хорошу

приємність. Приготування робочої суміші необхідного складу на різних режимах забезпечує карбюратор. Система живлення дизелів повинна створювати високий тиск впорскування палива у циліндр, дозувати порції палива відповідно до навантаження дизеля, впорскувати паливо в камеру згоряння у певний момент, протягом заданого проміжку часу і з певною інтенсивністю, добре розпилювати і рівномірно розподіляти паливо по об’єму камери згоряння, забезпечувати початок впорскування

і порції палива, що подаються насосом, однаковими в усіх циліндрах, надійно фільтрувати паливо перед його надходженням у насоси і форсунки. Ці вимоги обумовлені тим, що на процес сумішеутворення в дизелі відводиться дуже мало часу (близько 0,001 с), тому дуже важливо розпилити паливо на найдрібніші краплинки і рівномірно розподілити їх по всьому об’єму повітря в камері згоряння. 2. Робочий цикл, основні визначення та індикаторна діаграма чотиритактного

ДВЗ Робочим циклом називається сукупність процесів, що періодично повторюються в циліндрі двигуна і обумовлюють його неперервну роботу. Процес (або процеси), що відбувається в циліндрі за один хід поршня, називається тактом. Робочі цикли більшості автомобільних двигунів здійснюються за чотири ходи поршня (такти), тому ці двигуни називаються чотиритактними. Протягом усіх чотирьох тактів робочого циклу тиск газів у циліндрі змінюється.
Зміна абсолютного тиску газів залежно від їх об’єму зображується на індикаторній діаграмі робочого циклу. Робочий цикл дизеля При першому такті (впуск) поршень переміщується від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий, а випускний клапан закритий. У циліндрі створюється знижений тиск 0,8–0,9 МПа, через впускний клапан у циліндр надходить повітря.

У циліндрі повітря змішується з продуктами згоряння, що залишились від попереднього циклу, і нагрівається до температури 35–75оС. На індикаторній діаграмі цьому такту відповідає лінія 1–7. При другому такті(стиск) поршень переміщується від НМТ до ВМТ обидва клапани закриті. Оскільки ступінь стиску в дизелі дорівнює 15–22, то тиск і температура газів у циліндрі дуже підвищується, до кінця цього такту вона досягає відповідно 36 кгс/см2

і 425–625оС. На індикаторній діаграмі цьому такту відповідає лінія 1–2. На третьому такті (згоряння і розширення) у циліндр під високим тиском форсункою впорскується паливо (точка 2 кінця такту стиску), яке переміщується з повітрям, нагрівається від нього, спалахує і згоряє (лінія 3–4). Тиск газів в результаті згоряння (точка 4) збільшується до 55–90 кгс/см2, а температура до 1425–1925оС. Поршень до цього моменту пройде ВМТ

і рухатиметься вниз. Протягом цього такту відбувається корисна робота циклу, тому його називають робочим ходом. Наприкінці робочого ходу починає відкриватися випускний клапан (точка 5), тиск у циліндрі зменшиться (точка 6) до 3–5 кгс/с2, а температура знизиться до 925–1225оС. При четвертому такті (випуск) поршень переміщується від НМТ до ВМТ, випускний клапан відкрито, а впускний закритий.

Тиск у циліндрі більший від атмосферного, відпрацьовані гази витісняються поршнем із циліндра через випускний клапан. Протягом випуску (лінія 6–7) тиск і температура газів у циліндрі змінюються мало і до кінця цього такту, тобто до моменту приходу поршня у ВМТ, вони становлять відповідно 1,05–1,25 кгс/см2 і 325–625оС. Далі процеси, що відбуваються в циліндрі, повторюються у тій самій послідовності.
Робочим є тільки один такт згоряння-розширення, а такти впуску, стиску і випуску – допоміжні. Під час пуску двигуна його колінчастий вал обертається стартером або пусковою рукояткою. Коли двигун починає працювати, впуск, стиск і випуск відбуваються за рахунок енергії, нагромадженої маховиком двигуна при робочому ході. В одноциліндровому чотиритактному двигуні робочий хід здійснюється один раз за два оберти колінчастого

вала, тому колінчастий вал обертається нерівномірно, незважаючи на наявність маховика. ВМТ НМТ Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна Послідовність чергування тактів така сама, як і у робочому циклі дизеля, за винятком таких відмінностей: 1. При такті впуску в циліндр надходить пальна суміш, що складається з парів бензину або повітря (або газоподібне паливо і повітря). Наприкінці такту впуску, коли поршень перебуває у

НМТ, тиск у циліндрі дорівнює 0,08–0,09 кгс/см2, а температура 45–105оС. 2. Оскільки ступінь стиску в карбюраторних і газових двигунів набагато менший, ніж у дизелів, і становить приблизно 6–9, то й тиск, а також температура робочої суміші наприкінці такту стиску не перевищують відповідно 0,9–1,5 кгс/см3 і 325–525оС. 3. Наприкінці такту стиску робоча суміш спалахує від електричної

іскри і швидко згоряє; коли поршень перебуває біля ВМТ, максимальний тиск при згорянні 3,5–6,0 кгс/см2, а температура 2025–2425оС. Як і в дизелі, наприкінці процесу розширення починає відкриватись випускний клапан і тиск різко знижується. Коли поршень перебуває у НМТ, тиск газів у циліндрі становить 4–6 кгс/см2, а температура 1125–1425оС. 4. Такт випуску відбувається так само, як

і в дизелі. Тиск газів у циліндрі знижується до 1,02–1,2 кгс/см2, а температура – до 625–825°. Таким чином за способом сумішеутворення і запалювання палива автомобільні поршневі двигуни поділяються на дві групи: з внутрішнім сумішеутворенням і спалахуванням від стиску з повітрям, сильно нагрітим у циліндрі в результаті високого стиску (дизелі); із зовнішнім сумішеутворенням і примусовим запалюванням від іскри (карбюраторні і газові).
Тривають спроби використати для автомобілів газові турбіни і роторно-поршневі двигуни, проте кількість таких автомобілів дуже незначна. Дизелі економічні щодо витрат палива, ніж карбюраторні і газові двигуни. Це пояснюється високим ступенем стиску, що поліпшує використання теплоти, яка виділяється в результаті більшого розширення продуктів згоряння протягом робочого ходу.

Крім того, дизелі споживають дешеві сорти нафтових палив і менш небезпечні в пожежному відношенні. Дизелі мають великий ресурс до капітального ремонту (400–800 тис. км пробігу автомобіля). Однак дизелі дорожчі у виробництві (у 1,5–2,0 рази) і мають більшу масу, ніж карбюраторні і газові двигуни, тому їх установлюють в автомобілі великої і особливо великої вантажопідйомності –

МАЗ, КраАЗ, КамАЗ і БелАЗ, розпочато випуск дизельних вантажних автомобілів ЗІЛ і ГАЗ. Заключна частина Таким чином, ми розглянули будову і схему роботи одноциліндрового і багатоциліндрового ДВЗ, сумішеутворення, робочий цикл, основні визначення та індикаторну діаграму чотиритактного ДВЗ. Знання фізичної суті процесів

є основою для подальшого вивчення механізмів та систем двигуна. 2. КШМ і ГРМ двигуна 1. Технічна характеристика двигунів, що вивчаються. Призначення, характеристика, загальна будова і робота КШМ і ГРМ ТТХ двигунів Технічні характеристики КамАЗ-4310 ЗІЛ-131 Двигун Дизель КамАЗ-740 ЗІЛ-131 Тип Чотирьохтактний восьмициліндровий з запалюванням від стиснення

V-подібний, чотирьохтактний, карбюраторний, верхнеклапанний Розміщення циліндрів V-подібний з кутом розвалу 90о Під кутом 90 о Порядок роботи циліндрів 1–5–4–2–6–3–7–8 1–5–4–2–6–3–7–8 Напрямок обертання колінчастого вала правий правий Діаметр циліндра і хід поршня 120х120 100х95 Робочий об’єм, л 10,85 6
Ступінь стиснення 17 6,5 Номінальна потужність, к.с 210 150 (3200 об/хв.) Максимальний крутний момент, кгсм 65 41 (1800–2000) Частота обертання колінчастого вала, об/хв. – номінальна – при максимальному Мкр 260050 1600–1800 3100+100 (макс.) На холостом ходу: – мінімальна, не більше – максимальна, не більше 600 2930 Кількість клапанів в циліндрі 2 (впускний

і випускний) – // – Тиск масла в прогрітому двигуні, кгс/см2:  при номінальній частоті  при мінімальній частоті обертання холостого ходу 4 – 5,5 1 2 – 4 0,5 Нумерація циліндрів (по ходу автомобіля)  права група  ліва група 1–2–3–4 5–6–7–8 1–2–3–4 5–6–7–8 КШМ призначений для здійснення робочого процесу всередині циліндрової порожнини і перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух колінчастого вала.

Двигуни КамАЗ мають центральний КШМ, виконаний по V-подібній схемі з послідовним розміщенням шатунів на шатунних шийках колінчастого вала. КШМ складається з нерухомих і рухомих деталей. Нерухомі деталі: – блок циліндрів; – головка циліндрів; – передня кришка (корпус гідромуфти); – картер маховика; – піддон картера;