Двигатели внутреннего сгорания и принцип их работы

Двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми машинами, преобразующими энергию топлива в механическую энергию движения. Сгорание топлива в этих двигателях происходит

/ - генератор переменного тока ЕСС-93-4М; 2 - шумогаситель на всасывании; 3 - турбонагнетатель; 4 - глушитель на выпуске; 5 - нагнетательный коллектор, 6 - центрифуга масляной системы; 7 - насос топливный; 5 - блок дизеля К-661, 9 - фильтр тонкой очистки топлива; 10 - радиатор системы охлаждения; 11 - жалюзи* 12 •- подмоторная рама; 13 - плита фундаментная -- чугунный противовес непосредственно внутри цилиндров, в результате чего создается давление на поршень, который перемещается и совершает механическую работу.

Так как процесс сгорания топлива происходит непосредственно внутри двигателя, то тепловые потери в этих двигателях значительно меньше, чем в паровых машинах. В двигателях внутреннего сгорания полезно используется 20-30% тепла, заключенного в топливе, вместо 3-13% использования тепла в паровых установках.

Высокая экономичность и компактность конструкции этих двигателей по сравнению с паровыми привели к широкому применению их во многих отраслях промышленности, в том числе и в краностроении.

Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на следующие группы:

по назначению - стационарные и передвижные;

по роду топлива - двигатели, работающие на жидком топливе (бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо), и двигатели, работающие на газообразном топливе (генераторный или естественный газ);

по характеру смесеобразования - карбюраторные, у которых рабочая смесь из паров топлива и необходимого количества воздуха образуется вне цилиндров, и дизели, у которых смешение топлива с воздухом происходит в полости цилиндра;

по способу воспламенения - карбюраторные двигатели с запалом рабочей смеси от электрической искры и дизели, у которых смесь топлива самовоспламеняется в результате впрыскивания топлива через распыливающую форсунку в среду воздуха, сжатого в цилиндре до высокого давления и имеющего поэтому высокую температуру;

по выполнению рабочего процесса - четырехтактные и двухтактные;

по количеству цилиндров - одноцилиндровые и многоцилиндровые;

по расположению цилиндров - вертикальные, горизонтальные и с наклонным расположением цилиндров.

Во время работы двигателя внутреннего сгорания внутри каждого из его цилиндров совершаются следующие четыре процесса:

1) цилиндр заполняется воздухом в дизеле или горючей смесью в карбюраторных двигателях;

2) поступивший в цилиндр воздух или смесь сжимается в дизеле до более высокого давления, при котором впрыскиваемое топливо самовоспламеняется, а в карбюраторном двигателе - до меньшего давления, при котором самовоспламенения не происходит;

3) в результате воспламенения и сгорания топлива образовавшиеся под большим давлением газы, расширяясь, давят на поршень, вследствие чего он перемещается и совершает механическую работу;

4) после совершения рабочего хода цилиндры очищаются от продуктов сгорания, подготовляясь к повторению процессов.

Последовательное чередование указанных процессов составляет законченный цикл работы двигателя. Часть этого процесса, совершаемая за время одного хода поршня, т. е. перемещения его от одного своего крайнего положения до другого, носит название такта. Если весь рабочий процесс двигателя совершается за четыре хода поршня, то двигатель называется четырехтакт-н ы м. Если же полный рабочий процесс в каждом цилиндре совершается за два хода поршня, то такой двигатель называется двухтактным.

В краностроении наибольшее распространение получили многоцилиндровые четырехтактные дизели, работающие на дизельном топливе, и четырехтактные карбюраторные двигатели, работающие на бензине.

В многоцилиндровых двигателях рабочий процесс происходит в определенной последовательности в каждом из цилиндров При этом очередность, так называемый порядок работы цилиндров, устанавливается таким образом, чтобы цилиндры работали вразбивку; делается это для того, чтобы избежать вредного влияния на коленчатый вал колебательных нагрузок.

Для впуска в цилиндр воздуха или смеси и выпуска отработанных газов в карбюраторных двигателях и четырехтактных дизелях служат клапаны, а в двухтактных дизелях - окна, при этом клапаны и окна, через которые воздух или смесь поступает в цилиндры, называются впускными, а клапаны и окна, через которые выпускаются продукты сгорания, - выпускными.

На рис. 52 показана схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя.

Рассмотрим, как совершается цикл в таком двигателе.

Пер в ы м является такт всасывания. Поршень, двигаясь от верхнего крайнего положения к нижнему, действует как насос: в цилиндре создается разрежение, и через открывающийся впускной клапан воздух или смесь заполняет полость цилиндра.

Вторым тактом являются сжатие и воспламенение топлива или рабочей смеси: дойдя до своего нижнего крайнего положения, поршень меняет направление, двигается вверх и сжимает заполнивший цилиндр воздух или рабочую смесь, при этом клапаны в головке цилиндра закрыты.

В дизеле воздух сжимается до давления, при котором температура воздуха повышается до 500-600°С.

В карбюраторных двигателях рабочая смесь сжимается до давления 5-10 кгс/см2 и температура смеси не превышает 400°С.

Отношение всего объема цилиндра Ец, т. е. объема всего пространства над поршнем при его нижнем положении, к объему камеры сгорания Ус, т. е. к объему всего пространства над поршнем при его верхнем положении (рис. 53) носит название степени сжатия Е:

Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя: а - такт всасывания; б - такт сжатия; в - такт рабочего хода; г - такт выпуска; / - масляная ванна; 2 - коренной коленчатый вал; 3 - зубчатое колесо распределительного валика; 4 - вал распределительный; 5 - кулачок впуска; 6 - карбюратор; 7 - патрубок; 8 - клапан всасывающий; Я - свеча зажигания; 10 - клапан выпускной; 11 - полость рубашки охлаждения; 12 - цилиндр; /У - пружина толкателя; - поршень; /5 - толкатель; /5 - картер; 77 -. кулачок выпуска; 18 - шатун; 19 - кривошип; 20 - крышка картера

Рис. 52. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя: а - такт всасывания; б - такт сжатия; в - такт рабочего хода; г - такт выпуска; / - масляная ванна; 2 - коренной коленчатый вал; 3 - зубчатое колесо распределительного валика; 4 - вал распределительный; 5 - кулачок впуска; 6 - карбюратор; 7 - патрубок; 8 - клапан всасывающий; Я - свеча зажигания; 10 - клапан выпускной; 11 - полость рубашки охлаждения; 12 - цилиндр; /У - пружина толкателя; - поршень; /5 - толкатель; /5 - картер; 77 -. кулачок выпуска; 18 - шатун; 19 - кривошип; 20 - крышка картера

Величина степени сжатия имеет большое значение для работы двигателя и является одним из основных его показателей.

В современных дизелях степень сжатия достигает 13-18; при этом меньшие значения ее относятся к тихоходным, а большие - к быстроходным дизелям. В карбюраторных двигателях степень сжатия равна 4-5, при такой степени сжатия топливо не самовоспламеняется. Воспламенение топлива происходит в конце второго такта от электрической искры. В дизелях в конце второго такта топливо впрыскивается и самовоспламеняется.

Третьим тактом является рабочий ход (рис. 52, в).

Сгорая, топливо выделяет тепло, за счет которого повышаются температура и давление газов. В цилиндре дизеля в момент начала горения топлива температура повышается до 1200-1300°С, а давление - до 55-60 кгс/см2. Но так как топливо воспламеняется не одновременно во всем его слое, то процесс сгорания продолжается в течение некоторой части рабочего хода, в результате чего температура в цилиндре повышается до 2000°С и давление в цилиндре некоторое время поддерживается высоким.

В карбюраторных двигателях, в цилиндры которых вводится хорошо перемешанная смесь паров бензина с воздухом, процесс сгорания происходит быстрее, чем в дизеле, и поэтому температура в цилиндре карбюраторного двигателя повышается более резко, быстро достигая 1800-2000°С; при этом давление в цилиндре поднимается до 23-25 кгс/см2. В результате сгорания топлива поршень воспринимает на себя большое давление газов и, двигаясь вниз, передает это давление на коленчатый вал.

Четвертым тактом является такт выпуска (рис. 52, г). После завершения рабочего хода, в конце которого давление в

Таблица 13

Полуобороты вала

Направление движения поршня

Такты

Положенні

всасывающего

і гклапанов выпускного

і

Вниз

Впуск

Открыт

Закрыт

и

Вверх

Сжатие

Закрыт

ш

Вниз

Рабочий ход

»

IV

Вверх

Выпуск

»

Открыт

цилиндре падает до 2-3 кгс/см2, открывается выпускной клапан и поршень, двигаясь из нижнего положения в верхнее, выталкивает в атмосферу отработавшие газы. По достижении поршнем своего крайнего верхнего положения такты повторяются в той же последовательности, т. е. происходит новый цикл.

Нетрудно видеть, что каждый рабочий цикл двигателя в этом случае осуществляется за два полных оборота коленчатого вала, т. е. на один рабочий ход приходится три вспомогательных хода поршня.

В табл. 13 показаны очередность тактов, направление движения поршня и положение впускного и выпускного клапанов.

Приводы от двигателей внутреннего сгорания | Грузоподъемные краны на железнодорожном ходу | Механизмы и системы двигателя