|
з одержание
Введение .............................................................................. .2
1. Історія створення ....................................................... ... ..3
2. Історія автомобілебудування в Росії .............................. 7
3. Поршневі двигуни внутрішнього згоряння ........................ 8
3.1 Класифікація ДВС ................................................ .8
3.2 Основи пристрою поршневих ДВС ........................... 9
3.3 Принцип роботи ................................................... ..10
3.4 Принцип дії чотиритактного карбюраторного двигуна ........................................................................ 10
3.5 Принцип дії чотиритактного дизеля ............... 11
3.6 Принцип дії двотактного двигуна ............... .12
3.7 Робочий цикл чотиритактних карбюраторних і дизельних двигунів ................................................. ............... .13
3.8 Робочий цикл чотиритактного двигуна ......... ... ...... 14
3.9 Робочі цикли двотактних двигунів .................. ... 15
Висновок ........................................................................ ..16
Вступ.
XX століття - це світ техніки. Могутні машини добувають з надр землі мільйони тонн вугілля, руди, нафти. Потужні електростанції виробляють мільярди кіловат-годин електроенергії. Тисячі фабрик і заводів виготовляють одяг, радіоприймачі, телевізори, велосипеди, автомобілі, годинники та іншу необхідну продукцію. Телеграф, телефон і радіо з'єднує нас з усім світом. Потяги, теплоходи, літаки з великою швидкістю переносять нас через материки і океани. А високо над нами, за межами земної атмосфери, літають ракети і штучні Супутники Землі. Все це діє не без допомоги електрики.
Людина почала свій розвиток з присвоєння готових продуктів природи. Вже на першому етапі розвитку він став застосовувати штучні знаряддя праці.
З розвитком виробництва починають складатися умови для виникнення і розвитку машин. Спочатку машини, як і знаряддя праці лише допомагали людині в його праці. Потім вони стали поступово замінювати його.
У феодальний період історії вперше в якості джерела енергії була використана сила водяного потоку. Рух води обертало водяне колесо, яке в свою чергу призводило в дію різні механізми. В цей період з'явилося безліч різноманітних технологічних машин. Однак широке поширення цих машин часто гальмувалося через відсутність поруч водяного потоку. Потрібно було шукати нові джерела енергії, щоб приводити в дію машини в будь-якій точці земної поверхні. Пробували енергію вітру, але це виявилося малоефективним.
Стали шукати інше джерело енергії. Довго трудилися винахідники, багато машин випробували - і ось, нарешті, новий двигун був побудований. Це був паровий двигун. Він приводив в рух численні машини і верстати на фабриках і заводах.В початку XIX століття були винайдені перші сухопутні парові транспортні засоби -паровози.
Але парові машини були складними, громіздкими і дорогими установками. Бурхливо розвивається механічному транспорту потрібен був інший двигун - невеликий і дешевий. У 1860 р француз Ленуар, використавши конструктивні елементи парової машини, газове паливо та електричну іскру для запалювання, сконструював перший знайшов практичне застосування двигун внутрішнього згоряння.
1. ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ
Використовувати внутрішню енергію - це значить зробити за рахунок неї корисну роботу, тобто перетворювати внутрішню енергію в механічну. У найпростішому досвіді, який полягає в тому, що в пробірку наливають трохи води і доводять її до кипіння (причому пробірка спочатку закрита корком), пробка під тиском утворився пара піднімається вгору і вискакує.
Іншими словами, енергія палива переходить у внутрішню енергію пара, а пар, розширюючись, здійснює роботу, вибиваючи пробку. Так внутрішня енергія пара перетворюється в кінетичну енергію пробки.
Якщо пробірку замінити міцним металевим циліндром, а пробку поршнем, який щільно прилягає до стінок циліндра і здатний вільно переміщатися уздовж них, то вийде найпростіший тепловий двигун.
Тепловими двигунами називають машини, в яких внутрішня енергія палива перетворюється в механічну енергію.
Історія теплових машин сягає в далеке минуле кажуть, ще дві з гаком тисячі років тому, в III столітті до нашої ери, великий грецький механік і математик Архімед побудував гармату, яка стріляла за допомогою пари. Малюнок гармати Архімеда і її опис були знайдені через 18 століть в рукописах великого італійського вченого, інженера і художника Леонардо да Вінчі.
Як же стріляла ця гармата? Один кінець стовбура сильно нагрівали на вогні. Потім в нагріту частина стовбура наливали воду. Вода миттєво випаровувалася і перетворювалася на пару. Пар, розширюючись, з силою і гуркотом викидав ядро. Для нас цікаво тут те, що ствол гармати являв собою циліндр, за яким як поршень ковзало ядро.
Приблизно трьома століттями пізніше в Олександрії - культурному і багатому місті на африканському узбережжі Середземного моря - жив і працював видатний вчений Герон, якого історики називають Героном Олександрійським. Герон залишив кілька творів, що дійшли до нас, в яких він описав різні машини, прилади, механізми, відомі в ті часи.
У творах Герона є опис цікавого приладу, який зараз називають героновой кулею. Він являє собою порожнистий залізна куля, закріплений так, що може обертатися навколо горизонтальної осі. З закритого котла з киплячою водою пар по трубці надходить в кулю, з кулі він виривається назовні через зігнуті трубки, при цьому куля приходить в обертання. Внутрішня енергія пара перетворюється в механічну енергію обертання кулі. Герон куля - це прообраз сучасних реактивних двигунів.
У той час винахід Герона не знайшло застосування і залишилося тільки забавою. Минуло 15 століть. За часів нового розквіту науки і техніки, що наступив після періоду середньовіччя, про використання внутрішньої енергії пара замислюється Леонардо да Вінчі. У його рукописах є кілька малюнків із зображенням циліндра і поршня. Під поршнем в циліндрі знаходиться вода, а сам циліндр підігрівається. Леонардо да Вінчі припускав, що утворився в результаті нагрівання води пар, розширюючись і збільшуючись в обсязі, буде шукати вихід і штовхати поршень вгору. Під час свого руху вгору поршень міг би робити корисну роботу.
Дещо по-іншому уявляв собі двигун, що використовує енергію пара, Джованні Бранка, що жив на століття ршсе великого Леонардо. Це було колесо з
лопатками, в друге з силою вдаряла струмінь пара, завдяки чому колесо починало обертатися. По суті, це була перша парова турбіна.
У XVII-XVIII століттях над винаходом парової машітруділісь англійці Томас Севери (1650-1715) і Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дені Папен (1647-1714), російський вчений Іван Іванович Повзунів (1728-1766) і дроги інші.
Папен побудував циліндр, в якому вгору і вниз вільно переміщався поршень. Поршень був пов'язаний тросом, перекинутим через блок, з вантажем, який слідом за поршнем також піднімався і опускався. На думку Папена, поршень можна було пов'язати з будь-якої машиною, Наприклад водяним насосом, який став би качати воду. У нижню відкидається частина циліндра насипали поpox, який потім підпалювали. Утворилися гази, прагнучи розширитися, штовхали поршень вгору. Після отого циліндр і поршень із зовнішнього боку обливали диодной водою. Гази в циліндрі охолоджувалися, і їх тиск на поршень зменшувалася. Поршень під дією власної ваги і зовнішнього атмосферного тиску опусускался вниз, піднімаючи при цьому вантаж. Двигун вчиняв корисну роботу. Для практичних цілей він негідника: надто вже складний був технологічний цикл його роботи (засипка і підпалювання пороху, обливання водою, І це протягом всієї роботи двигуна!). Крім того, застосування подібного двигуна було далеко не безпечним.
Однак не можна не побачити в першій машині Палена риси сучасного двигуна внутрішнього згоряння.
У своєму новому двигуні Папен замість пороху використовував воду. Її наливали в циліндр під поршень, а сам циліндр розігрівали знизу. Пара, що утворюється піднімав поршень. Потім циліндр охолоджували, і що знаходиться в ньому пар конденсировался - знову перетворювався в воду. Поршень, як і в разі порохового двигуна, під дією своєї ваги і атмосферного тиску опускався вниз. Цей двигун працював краще, ніж пороховий, але для серйозного практичного використання був також малопридатний: потрібно було підводити і відводити вогонь, подавати охолоджену воду, чекати, поки пар сконденсіруется, перекривати воду і т.п.
Всі ці недоліки були пов'язані з тим, що приготування пара, необхідного для роботи двигуна, відбувалося в самому циліндрі. А що якщо в циліндр впускати вже готовий пар, отриманий, наприклад, в окремому котлі? Тоді досить було б поперемінно впускати в циліндр то пар, то охолоджену воду, і двигун працював би з більшою швидкістю і меншим споживанням палива.
Про це здогадався сучасник Дені Палена англієць Томас Севери, який побудував паровий насос для відкачування води з шахти. У його машині приготування пара відбувалося поза циліндра - в казані.
Слідом за Севери парову машину (також пристосовану для відкачування води з шахти) сконструював англійський коваль Томас Ньюкомен. Він вміло використовував багато з того, що було придумано до нього. Ньюкомен взяв циліндр з поршнем Папена, але пар для підйому поршня отримував, як і Севери, в окремому котлі.
Машина Ньюкомена, як і всі її попередниці, працювала уривчасто - між двома робочими ходами поршня була пауза. Висотою вона була з чотирьох-п'ятиповерховий будинок і, отже, виключно <�ненажерлива>: п'ятдесят коней ледве-ледве встигали підвозити їй паливо. Обслуговуючий персонал складався з двох чоловік: кочегар безперервно підкидав вугілля в <�ненаситну пащу> топки, а механік керував кранами, впускають пар і холодну воду в циліндр.
Знадобилося ще 50 років, перш ніж був побудований універсальний паровий двигун. Це сталося в Росії, на одній з віддалених її околиць - Алтаї, де в той час працював геніальний російський винахідник, солдатський син Іван Ползунов.
Повзунів побудував свою <�огнедействующей машину> на одному з барнаульских заводів. Цей винахід було справою його життя і, можна сказати, коштувало йому життя, В квітні 1763 Повзунів закінчує розрахунки і подає проект на розгляд. На відміну від парових насосів Севери і Ньюкомена, про які Повзунів знав і недоліки яких ясно усвідомлював, це був проект універсальної машини безперервної дії. Машина призначалася для повітродувних міхів, що нагнітають повітря в плавильні печі. Головною її особливістю було те, що робочий вал гойдався безперервно, без холостих пауз. Це досягалося тим, що Повзунів передбачив замість одного Циліндра, як це було в машині Ньюкомена, два поперемінно працюючих. Поки в одному циліндрі поршень під дією пара піднімався вгору, в іншому пар конденсировался, і поршень йшов вниз. Обидва поршня були пов'язані одним робочим валом, який вони по черзі повертали то в одну, то в іншу сторони. Робочий хід машини здійснювався не за рахунок атмосферного тиску, як у Ньюкомена, а завдяки роботі пара в циліндрах.
Навесні 1766-року учні Ползунова, через тиждень після його смерті (він помер в 38 років), випробували машину. Вона працювала протягом 43 діб і приводила в рух міхи трьох плавильних печей. Потім котел дав текти; шкіра, якою були обтягнуті поршні (щоб зменшити зазор між стеннкой циліндра і поршнем), пучки, і машина зупинилася назавжди. Більше нею ніхто не займався.
Творцем іншого універсального парового двигуна, який набув широкого поширення, став англійський механік Джеймс Уатт (1736-1819).Працюючи над удосконаленням машини Ньюкомена, він в 1784 році побудував двигун, який годився для будь-яких потреб. Винахід Уатта було прийнято на ура. У найбільш розвинених країнах Європи ручна праця на фабриках і заводах все більше і більше замінювався роботою машин. Універсальний двигун став необхідний виробництва, і він був створений.
У двигуні Уатта застосований так званий кривошипно-шатунний механізм, перетворюють зворотно-поступальний рух поршня у
обертальний рух колеса.
Уже потім було придумано <�подвійну дію> машини: направляючи по черзі пар то під поршень, то зверху поршня, Уатт перетворив обидва його ходу (вгору і вниз) в робочі. Машина стала потужнішою. Пар в верхню і нижню частини циліндра прямував спеціальним паророзподільних механізмом, який згодом був удосконалений і названий <�золотником>.
Потім Уатт прийшов до висновку, що зовсім не обов'язково весь час, поки поршень рухається, подавати в циліндр пар. Досить впустити в циліндр якусь порцію пара і повідомити поршня рух, а далі цей пар почне розширюватися і переміщати поршень в крайнє положення. Це зробило машину економічніше: менше потрібно пара, менше витрачалося палива.
Сьогодні один з найпоширеніших теплових двигунів - двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Його встановлюють на автомобілі, кораблі, трактори, моторні човни і т.д., в усьому світі налічуються сотні мільйонів таких двигунів.
Для оцінки теплового двигуна важливо знати, яку частину енергії, що виділяється паливом, він перетворює в корисну роботу. Чим більше ця частина енергії, тим двигун економічніше.
Для характеристики економічності вводиться поняття коефіцієнта корисної дії (ККД).
ККД теплового двигуна - це відношення тієї частини енергії, яка пішла на вчинення корисної роботи двигуна, до всієї енергії, що виділилася при згоранні палива.
Перший дизель (1897 г.) мав ККД 22%. Парова машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, сучасний стаціонарний дизель має ККД 34-44%.
2. ІСТОРІЯ АВТОМОБІЛЕБУДУВАННЯ В РОСІЇ
Автомобільний транспорт в Росії обслуговує всі галузі народного господарства і займає одне з провідних місць в єдиній транспортній системі країни. На частку автомобільного транспорту припадає понад 80% вантажів, що перевозяться всіма видами транспорту разом взятими, і більше 70% пасажирських перевезень.
Автомобільний транспорт створений в результаті розвитку нової галузі народного господарства - автомобільної промисловості, яка на сучасному етапі є одним з основних ланок вітчизняного машинобудування.
Початок створення автомобіля було покладено більше двохсот років тому (назва "автомобіль" походить від грецького слова autos - "сам" і латинського mobilis - "рухливий"), коли стали виготовляти "саморушні" вози. Вперше вони з'явилися в Росії. У 1752 р російський механік-самоучка селянин Л.Шамшуренков створив досить досконалу для свого часу "самобеглую коляску", що приводиться в рух силою двох чоловік. Пізніше російський винахідник І. П. Кулібін створив "самокатную візок" з педальним приводом. З появою парової машини створення саморушних возів швидко просунулася вперед. У 1869-1870 рр. Ж.Кюньо у Франції, а через кілька років і в Англії були побудовані парові автомобілі. Широке поширення автомобіля як транспортного засобу розпочинається з появою швидкохідного двигуна внутрішнього згоряння. У 1885 р Г.Даймлер (Німеччина) побудував мотоцикл з бензиновим двигуном, а в 1886 р К. Бенц - триколісний візок. Приблизно в цей же час в індустріально розвинених країнах (Франція, Великобританія, США) створюються автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння.
В кінці XIX століття в ряді країн виникла автомобільна промисловість. У царській Росії неодноразово робилися спроби організувати власне машинобудування. У 1908 р виробництво автомобілів було організовано на Російсько-Балтійському вагонобудівному заводі в Ризі. Протягом шести років тут випускалися автомобілі, зібрані в основному з імпортних частин. Всього завод побудував 451 легковий автомобіль і невелика кількість вантажних автомобілів. У 1913 р автомобільний парк в Росії становив близько 9000 автомобілів, з них більша частина - закордонного виробництва.
Після Великої Жовтневої соціалістичної революції практично заново довелося створювати вітчизняну автомобільну промисловість. Початок розвитку російського автомобілебудування відноситься до 1924 року, коли в Москві на заводі АМО були побудовані перші вантажні автомобілі АМО-Ф-15.
В період 1931-1941 рр. створюється багатосерійне і масове виробництво автомобілів. У 1931 р на заводі АМО почалося масове виробництво вантажних автомобілів. У 1932 р став до ладу завод ГАЗ.
У 1940 р почав виробництво малолітражних автомобілів Московський завод малолітражних автомобілів. Трохи пізніше був створений Уральський автомобільний завод. За роки післявоєнних п'ятирічок стали до ладу Кутаїський, Кременчуцький, Ульяновський, Мінський автомобільні заводи. Починаючи з кінця 60-х рр., Розвиток автомобілебудування характеризується особливо швидкими темпами. У 1971 р став до ладу Волзький автомобільний завод ім. 50-річчя СРСР.
3. ПОРШНЕВІ Двигуни внутрішнього згоряння
Як було вище сказано, теплове розширення застосовується в ДВС. Але яким чином воно застосовується і яку функцію виконує ми розглянемо на прикладі роботи поршневого ДВС. Двигуном називається енергосилова машина, яка перетворює будь-яку енергію в механічну роботу. Двигуни, в яких механічна робота створюється в результаті перетворення теплової енергії, називаються тепловими. Теплова енергія виходить при спалюванні будь-якого палива. Тепловий двигун, в якому частина хімічної енергії палива, що згорає в робочій порожнині, перетворюється в механічну енергію, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння. (Радянський енциклопедичний словник)
3. 1. Класифікація ДВС
Як було вище сказано, як енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення повчили ДВС, в яких процес згоряння палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. Але в більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння, які класифікуються за різними ознаками: За способом сумішоутворення - двигуни із зовнішнім сумішоутворенням, у яких горюча суміш готується поза циліндрів (карбюраторні і газові), і двигуни з внутрішнім сумішоутворенням (робоча суміш утворюється всередині циліндрів) -дизель; За способом здійснення робочого циклу - чотиритактні і двотактні; За кількістю циліндрів - одноциліндрові, двоциліндрові і багатоциліндрові; По розташуванню циліндрів - двигуни з вертикальним або похилим розташуванням циліндрів в один ряд, V-подібні з розташуванням циліндрів під кутом (при розташуванні циліндрів під кутом 180 двигун називається двигуном з протилежними циліндрами, або оппозітним); За способом охолодження - на двигуни з рідинним або повітряним охолодженням; По виду застосовуваного палива - бензинові, дизельні, газові та багатопаливні; За ступенем стиснення. Залежно від ступеня стиснення розрізняють
двигуни високого (E = 12 ... 18) і низького (E = 4 ... 9) стиснення; За способом наповнення циліндра свіжим зарядом: а) двигуни без наддуву, у яких впускання повітря або горючої суміші здійснюється за рахунок розрядження в циліндрі при всмоктуючому ході поршня;) двигуни з наддувом, у яких впускання повітря або горючої суміші в робочий циліндр відбувається під тиском, створюваним компресором, з метою збільшення заряду і отримання підвищеної потужності двигуна; За частотою обертання: тихохідні, підвищеної частоти обертання, швидкохідні; За призначенням розрізняють двигуни стаціонарні, авто тракторні, суднові, тепловозні, авіаційні та ін.
3.2. Основи пристрою поршневих ДВС
Поршневі ДВС складаються з механізмів і систем, що виконують задані їм функції і взаємодіючих між собою. Основними частинами такого двигуна є кривошипно-шатунний механізм і газорозподільний механізм, а також системи харчування, охолодження, запалювання і мастильна система.
Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.
Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне впускання горючої суміші в циліндр і видалення з нього продуктів згоряння.
Система харчування призначена для приготування та подачі горючої суміші в циліндр, а також для відведення продуктів згоряння.
Мастильна система служить для подачі масла до взаємодіє деталей з метою зменшення сили тертя і часткового їх охолодження, поряд з цим циркуляція масла призводить до змивання нагару і видалення продуктів зношування.
Система охолодження підтримує нормальний температурний режим роботи двигуна, забезпечуючи відведення теплоти від сильно нагріваються при згорянні робочої суміші деталей циліндрів поршневий групи і клапанного механізму.
Система запалення призначена для займання робочої суміші в циліндрі двигуна.
Отже, чотиритактний поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ущільнювальними) кільцями, що має форму склянки з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун зв'язаний з колінчастим валом, який обертається в корінних підшипниках, розташованих в картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік і шатунной шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал становлять так званий кривошипно-шатунний механізм. 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. Крайнє верхнє положення поршня називається верхньою мертвою точкою (ВМТ), крайнє нижнє його положення - коефіцієнт корисної (НМТ).
Невпинне рух поршня через мертві точки забезпечується маховиком, що має форму диска з масивним ободом. Відстань, яку проходить поршнем від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, що дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S = 2R.
Простір над днищем поршня при перебуванні його в ВМТ називається камерою згоряння; її обсяг позначається через Vс; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається Vh. Сума обсягу камери згоряння Vс і робочого об'єму Vh становить повний обсяг циліндра Vа: Vа = Vс + Vh. Робочий об'єм циліндра (його вимірюють в кубічних сантиметрах або метрах): Vh = ПД ^ 3 * S / 4, де Д - діаметр циліндра. Суму всіх робочих об'ємів циліндрів багатоциліндрового двигуна називають робочим об'ємом двигуна, його визначають за формулою: V р = (ПД ^ 2 * S) / 4 * i, де i - число циліндрів. Ставлення повного обсягу циліндра Va до обсягу камери згоряння Vc називається ступенем стиснення: E = (Vc + Vh) Vc = Va / Vc = Vh / Vc + 1. Ступінь стиснення є важливим параметром двигунів внутрішнього згоряння, тому що сильно впливає на його економічність і потужність.
3. 3. Принцип роботи
Дія поршневого двигуна внутрішнього згоряння засноване на використанні роботи теплового розширення нагрітих газів під час руху поршня від ВМТ до НМТ. Нагрівання газів у положенні ВМТ досягається в результаті згоряння в циліндрі палива, змішаного з повітрям. При цьому підвищується температура газів і тиску. Т. до .Тиск під поршнем дорівнює атмосферному, а в циліндрі воно набагато більше, то під дією різниці тисків поршень буде переміщатися вниз, при цьому гази - розширюватися, здійснюючи корисну роботу. Ось тут-то і дає про себе знати теплове розширення газів, тут і полягає його технологічна функція: тиск на поршень. Щоб двигун постійно виробляв механічну енергію, циліндр необхідно періодично заповнювати новими порціями повітря через впускний клапан і паливо через форсунку або подавати через впускний клапан суміш повітря з паливом. Продукти згоряння палива після їх розширення видаляються з циліндра через впускний клапан. Ці завдання виконують механізм газорозподілу, керуючий відкриттям і закриттям клапанів, і система подачі палива.
3.4. Принцип дії чотиритактного карбюраторного двигуна
Робочим циклом двигуна називається періодично повторюється ряд послідовних процесів, що протікають в кожному циліндрі двигуна і обумовлюють перетворення теплової енергії в механічну роботу. Якщо робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, тобто за один оборот колінчастого валу, то такий двигун називається двотактним.
Автомобільні двигуни працюють, як правило, по чотиритактному циклу, який відбувається за два оберти колінчастого вала або чотири ходу поршня і складається з тактів впуску, стиснення, розширення (робочого ходу) і випуску.
У карбюраторному чотиритактному одноциліндровий двигун робочий цикл відбувається наступним чином:
1. Такт впуску У міру того, як колінчастий вал двигуна робить перші півоберт, поршень переміщається від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий, випускний клапан закритий. У циліндрі створюється розрядження 0.07 - 0.095 МПа, внаслідок чого свіжий заряд горючої суміші, що складається з парів бензину і повітря, засмоктується через впускний газопровід в циліндр і, змішуючись із залишковими відпрацьованими газами, утворює робочу суміш.
2. Такт стиску. Після заповнення циліндра горючою сумішшю при подальшому обертанні колінчастого вала (другий півоберт) поршень переміщується від НМТ до ВМТ при закритих клапанах. У міру зменшення обсягу температура і тиск робочої суміші підвищуються.
3. Такт розширення або робочий хід. В кінці такту стиснення робоча суміш запалюється від електричної іскри і швидко згоряє, внаслідок чого температура і тиск утворюються газів різко зростає, поршень при цьому переміщується від ВМТ до НМТ.В процесі такту розширення шарнірно пов'язаний з поршнем шатун здійснює складний рух і через кривошип приводить в обертання колінчастий вал. При розширенні гази здійснюють корисну роботу, тому хід поршня при третьому півоберту колінчастого вала називають робочим ходом. В кінці робочого ходу поршня, при знаходженні його близько НМТ відкривається випускний клапан, тиск в циліндрі знижується до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С. 4. Такт випуску. При четвертому півоберту колінчастого вала поршень переміщається від НМТ до ВМТ. При цьому випускний клапан відкритий, і продукти згоряння виштовхуються з циліндра в атмосферу через випускний газопровід.
3.5. Принцип дії чотиритактного дизеля
У чотиритактному двигуні робочі процеси відбуваються наступним чином:
1. Такт впуску. При русі поршня від ВМТ до НМТ внаслідок утвориться розрядження з воздухоочистителя в порожнину циліндра через відкритий впускний клапан надходить атмосферне повітря. Тиск повітря в циліндрі становить 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
2. Такт стиску. Поршень рухається від НМТ до ВМТ; впускний і випускний клапани закриті, внаслідок цього переміщається вгору поршень стискає надійшов повітря. Для займання палива необхідно, щоб температура стисненого повітря була вище температури самозаймання палива. При ході поршня до ВМТ циліндр через форсунку впорскується дизельне паливо, що подається паливним насосом.
3. Такт розширення, або робочий хід. Впорснути в кінці такту стиснення паливо, перемішуючись з нагрітим повітрям, запалюється, і починається процес згоряння, що характеризується швидким підвищенням температури і тиску. При цьому максимальне
тиск газів досягає 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Під дією тиску газів поршень 2 переміщується від ВМТ в НМТ-відбувається робочий хід. Близько НМТ тиск знижується до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
4. Такт випуску. Поршень переміщається від НМТ у ВМТ і через відкритий випускний клапан 6 відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра. Тиск газів знижується до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. Після закінчення такту випуску при подальшому обертанні колінчастого вала робочий цикл повторюється в тій же послідовності. Для узагальнення на показані схеми робочого циклу карбюраторних двигунів і дизелів.
3.6. Принцип дії двотактного двигуна
Двотактні двигуни відрізняються від чотиритактних тим, що у них наповнення циліндрів горючою сумішшю або повітрям здійснюється на початку ходу стиснення, а очищення циліндрів від відпрацьованих газів в кінці ходу розширення, тобто процеси випуску та впуску відбуваються без самостійних ходів поршня. Загальний процес для всіх типів двотактних
двигунів - продування, тобто процес видалення відпрацьованих газів з циліндра за допомогою потоку горючої суміші або повітря. Тому двигун даного виду має компресор (продувний насос). Розглянемо роботу двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерної продувкою. У цього типу двигунів відсутні клапани, їх роль виконує поршень, який при своєму переміщенні закриває впускні, випускні і продувні вікна. Через ці вікна циліндр в певні моменти повідомляється з впускним і випускним трубопроводами та кривошипно камерою (картер), яка не має безпосереднього сполучення з атмосферою. Циліндр в середній частині має три вікна: впускний, випускний 6 і пневматичні, яке повідомляється клапаном скрівошіпной камерою двигуна.
Робочий цикл в двигуні здійснюється за два такти:
1. Такт стиснення. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ, перекриваючи спочатку продувні, а потім випускне 6 вікно. Після закриття поршнем випускного вікна в циліндрі починається стиск раніше надійшла в нього горючої суміші. Одночасно в кривошипно камері внаслідок її герметичності створюється розрядження, під дією якого з карбюратора через відкрите вікно впускний поступає горюча суміш в кривошипну камеру.
2. Такт робочого ходу. При положенні поршня близько ВМТ стисла робоча суміш запалюється електричною іскрою від свічки, в результаті чого температура і тиск газів різко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщується до НМТ, при цьому розширюються гази здійснюють корисну роботу. Одночасно опускається поршень закриває впускний вікно і стискає що знаходиться в кривошипно камері горючу суміш.
Коли поршень дійде до випускного вікна, воно відкривається і починається випуск відпрацьованих газів в атмосферу, тиск в циліндрі знижується. При подальшому переміщенні поршень відкриває продувні вікно і стиснута в кривошипно камері горюча суміш перетікає по каналу, заповнюючи циліндр і здійснюючи продування його від залишків відпрацьованих газів.
Робочий цикл двотактного дизельного двигуна відрізняється від робочого циклу двотактного карбюраторного двигуна тим, що у дизеля в циліндр надходить повітря, а не горюча суміш, і в кінці процесу стиснення впорскується мелкораспиленное паливо.
Потужність двотактного двигуна при однакових розмірах циліндра і частоті обертання валу теоретично в два рази більше чотиритактного за рахунок більшої кількості робочих циклів. Однак неповне використання ходу поршня для розширення, найгірше звільнення циліндра від залишкових газів і витрати частини вироблюваної потужності на привід продувочного компресора призводять практично до збільшення потужності тільки на 60 ... 70%.
3.7. Робочий цикл чотиритактних карбюраторних і дизельних двигунів
Робочий цикл чотиритактного двигуна складається з п'яти процесів: впуск, стиснення, згоряння, розширення і випуск, які відбуваються за чотири такту або за два оберти колінчастого вала.
Графічне представлення про тиск газів при зміні обсягу в циліндрі двигуна в процесі здійснення кожного з чотирьох циклів дає індикаторна діаграма. Вона може бути побудована за даними теплового розрахунку або знята при роботі двигуна з допомогою спеціального приладу - індикатора.
Процес впуску. Впуск горючої суміші здійснюється після випуску з циліндрів відпрацьованих газів від попереднього циклу. Впускний клапан відкривається з деяким випередженням до ВМТ, щоб отримати до моменту приходу поршня до ВМТ більше прохідний перетин у клапана. Впуск горючої суміші здійснюється за два періоди. У перший період суміш надходить при переміщенні поршня від ВМТ до НМТ внаслідок розрядження, що створюється в циліндрі. У другій період впускання суміші відбувається при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ протягом деякого часу, відповідного 40 - 70 повороту колінчастого вала за рахунок різниці тисків, і швидкісного напору суміші. Впуск горючої суміші закінчується закриттям впускного клапана.Горючая суміш, що надійшла в циліндр, змішується з залишковими газами від попереднього циклу і утворює горючу суміш. Тиск суміші в циліндрі протягом процесу впуску становить 70 - 90 кПа і залежить від гідравлічних втрат у впускний системі двигуна. Температура суміші в кінці процесу впуску підвищується до 340 - 350 К внаслідок зіткнення її з нагрітими деталями двигуна і змішування з
залишковими газами, що мають температуру 900 - 1000 К.
Процес стиснення. Стиснення робочої суміші, що знаходиться в циліндрі двигуна, відбувається при закритих клапанах і переміщенні поршня. Процес стиснення протікає при наявності теплообміну між робочою сумішшю і стінками (циліндра, головки і днища поршня). На початку стиснення температура робочої суміші нижче температури стінок, тому теплота передається суміші від стінок. У міру подальшого стиснення температура суміші підвищується і стає вище температури стінок, тому теплота від суміші передається стінок. Таким чином процес стиснення здійснюється по політропи, середній показник якої n = 1.33 ... 1.38. Процес стиснення закінчується в момент займання робочої суміші. Тиск робочої суміші в циліндрі наприкінці стиснення 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.
Процес згоряння. Від згоряння робочої суміші починається раніше приходу поршня до ВМТ, тобто коли стиснута суміш запалюється від електричної іскри. Після займання фронт полум'я свічки, що горить від свічки поширюється по всьому об'єму камери згоряння зі швидкістю 40 - 50 м / с. Незважаючи на таку високу швидкість згоряння, суміш встигає згоріти за час, поки колінчастий вал повернеться на 30 - 35 .При згорянні робочої суміші виділяється велика кількість теплоти на ділянці, відповідним 10 - 15 до ВМТ і 15 - 20 після НМТ, внаслідок чого тиск і температура утворюються в циліндрі газів швидко зростають. В кінці згоряння тиск газів досягає 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.
Процес розширення. Теплове розширення газів, що знаходяться в циліндрі двигуна, відбувається після закінчення процесу згоряння при переміщенні поршня до НМТ. Гази, розширюючись, здійснюють корисну роботу. Процес теплового розширення протікає при інтенсивному теплообміні між газами і стінками (циліндра, головки і днища поршня). На початку розширення відбувається догорання робочої суміші, внаслідок чого утворюються гази отримують теплоту. Гази протягом всього процесу теплового розширення віддають теплоту стінок. Температура газів в процесі розширення зменшується, отже, змінюється перепад температури між газами і стінками. Процес теплового розширення, який закінчується в момент відкриття випускного клапана ,. Процес теплового розширення відбувається по гамі, середній показник якої n2 = 1.23 ... 1.31. Тиск газів в циліндрі в кінці розширення 0.35 -0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.
Процес випуску. Випуск відпрацьованих газів починається при відкритті випускного клапана, тобто за 40 - 60 до приходу поршня в НМТ. Випуск газів з циліндра здійснюється за два періоди. У перший період випуск газів відбувається при переміщенні поршня до НМТ за рахунок того, що тиск газів в циліндрі значно вище атмосферного. У цей період з циліндра видаляється близько 60% відпрацьованих газів зі швидкістю 500 - 600 м / с. У другій період випуск газів відбувається при переміщенні поршня від НМТ до закриття випускного клапана за рахунок виштовхує дії поршня та інерції рухомих газів. Випуск відпрацьованих газів закінчується в момент закриття випускного клапана, т. Е. Через 10 - 20 після приходу поршня в ВМТ. Тиск газів в циліндрі в процесі виштовхування 0.11 - 0.12 МПа, температура газів в кінці процесу випуску 90 - 1100 К.
3.8. Робочий цикл чотиритактного двигуна
Робочий цикл дизеля істотно відрізняється від робочого циклу карбюраторного двигуна способом освіти і займання робочої суміші.
Процес впуску. Впуск повітря починається при відкритому впускному
клапані і закінчується в момент закриття його. Процес впуску повітря відбувається також, як і впуск горючої суміші в карбюраторному двигуні .. Тиск повітря в циліндрі в перебігу процесу впуску становить 80 - 95 кПа і залежить від гідравлічних втрат у впускний системі двигуна. Температура повітря в кінці процесу випуску підвищується до 320 - 350 К за рахунок зіткнення його з нагрітими деталями двигуна і змішування з залишковими газами.
Процес стиснення. Стиснення повітря, що знаходиться в циліндрі, починається після закриття впускного клапана і закінчується в момент упорскування палива в камеру згоряння Тиск повітря в циліндрі наприкінці стиснення 3.5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.
Процес згоряння. Згоряння палива починається з моменту початку подачі палива в циліндр, тобто за 15 - 30 до приходу поршня в ВМТ. У цей момент температура стисненого повітря на 150 - 200 С вище температури самозаймання. паливо, яке надійшло в мелкораспиленном стані в циліндр, запалюється не миттєво, а з затримкою протягом деякого часу (0.001 - 0.003 с), званого періодом затримки займання. У цей період паливо прогрівається, перемішується з повітрям і випаровується, тобто утворюється робоча суміш. Підготовлене паливо загорається і згоряє. В кінці згоряння тиск газів досягає 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.
Процес розширення. Теплове розширення газів, що знаходяться в циліндрі, починається після закінчення процесу згоряння і закінчується в момент закриття випускного клапана. На початку розширення відбувається догорання палива. Процес теплового розширення відбувається аналогічно до процесу теплового розширення газів в карбюраторному двигуні .. Тиск газів в циліндрі до кінці розширення 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 До
Процес випуску. Випуск відпрацьованих газів починається при відкритті випускного клапана і закінчується в момент закриття випускного клапана. Процес випуску відпрацьованих газів відбувається також, як і процес випуску газів в карбюраторному двигуні. Тиск газів в циліндрі в процесі виштовхування 0.11 - 0.12 МПа, температура газів в кінці процесу випуску 700 - 900 К.
3.9. Робочі цикли двотактних двигунів
Робочий цикл двотактного двигуна здійснюється за два такти, або за один оборот колінчастого валу. Розглянемо робочий цикл двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерної продувкою,
Процес стиснення горючої суміші, що знаходиться в циліндрі, починається з моменту закриття поршнем вікон циліндра при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ. Процес стиснення протікає також, як і в чотиритактним карбюраторному двигуні,
Процес згоряння відбувається аналогічно процесу згоряння в чотиритактним карбюраторному двигуні.
Процес теплового розширення газів, що знаходяться в циліндрі, починається після закінчення процесу згоряння і закінчується в момент відкриття випускних вікон. Процес теплового розширення відбувається аналогічно процесу розширення газів в чотиритактним карбюраторному двигуні .Процесс випуску відпрацьованих газів починається при відкритті випускних вікон, тобто за 60 65 до приходу поршня в НМТ, ізаканчівается через 60 - 65 після проходу поршнем НМТ, на діаграмі зображується лінією 462. У міру відкриття випускного вікна тиск в циліндрі різко знижується, а за 50 - 55 до приходу поршня в НМТ відкриваються продувні вікна і горюча суміш, раніше надійшла в кривошипну камеру і стисла опускається поршнем, починає надходити в циліндр. Період, протягом якого
відбувається одночасно два процеси - впуск горючої суміші і випуск відпрацьованих газів, - називають продувкою. Під час продувки горюча суміш витісняє відпрацьовані гази і частково несеться разом з ними. При подальшому переміщенні до ВМТ поршень перекриває спочатку продувні вікна, припиняючи доступ горючої суміші в циліндр з кривошипно камери, а потім випускні і починається в циліндрі процес стиснення.
ВИСНОВОК
Отже, ми бачимо, що двигуни внутрішнього згоряння - дуже складний механізм. І Функція, виконувана тепловим розширенням в двигунах внутрішнього згоряння не так проста, як це здається на перший погляд. Та й не існувало б двигунів внутрішнього згоряння без використання теплового розширення газів. І в цьому ми легко переконуємося, розглянувши докладно принцип роботи ДВС, їх робочі цикли - вся їх робота заснована на використанні теплового розширення газів. Але ДВС - це тільки одне з конкретних застосувань теплового розширення. І судячи з того, яку користь приносить теплове розширення людям через двигун внутрішнього згоряння, можна судити про користь даного явища в інших областях людської діяльності.
І нехай проходить ера двигуна внутрішнього згоряння, нехай у них є багато недоліків, нехай з'являються нові двигуни, які не забруднюють внутрішнє середовище і не використовують функцію теплового розширення, але перші ще довго приноситимуть користь людям, і люди через багато сотень років будуть по доброму відгукуватися про них, бо вони вивели людство на новий рівень розвитку, а, пройшовши його, людство піднялося ще вище.
|