Принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания. Основные понятия

В настоящее время на ТС применяются в основном четырехтактные поршневые ДВС.

Одноцилиндровый двигатель (рис. а) содержит следующие основные детали: цилиндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, коленчатый вал 1 и маховик 14. Одним своим концом шатун соединяется шарнирно с поршнем при помощи поршневого пальца 5, а другим концом — также шарнирно с кривошипом коленчатого вала.

При вращении коленчатого вала происходит возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. За один оборот коленчатого вала поршень совершает по одному ходу вниз и вверх. Изменение направления движения поршня происходит в мертвых точках — верхней (ВМТ) и нижней (НМТ).

Верхней мертвой точкой называется самое удаленное от коленчатого вала положение поршня (крайнее верхнее при вертикальном расположении двигателя), а нижней мертвой точкой — самое близкое к коленчатому валу положение поршня (крайнее нижнее при вертикальном расположении двигателя).

Рис. Принципиальная схема (а) одноцилиндрового четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и его схема (б) для определения параметров:
1 — коленчатый вал; 2 — картер; 3 — шатун; 4 — цилиндр; 5 — поршневой палец; 6 — поршень; 7 — впускной клапан; 8 — впускной трубопровод; 9 — распределительный вал; 10 — свеча зажигания (бензиновые и газовые двигатели) или топливная форсунка (дизели); 11 — выпускной трубопровод; 12 — выпускной, клапан; 13 — поршневые кольца; 14 — маховик; D — диаметр цилиндра; r — радиус кривошипа; S — ход поршня

Расстояние S (рис. б) между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Его рассчитывают по формуле:

S = 2r,
где r — радиус кривошипа коленчатого вала.

Ходом поршня и диаметром цилиндра D определяются основные размеры двигателя. В транспортных двигателях отношение S/D составляет 0,7 —1,5. При S/D < 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D > 1 — длинноходным.

При перемещении поршня вниз из ВМТ в НМТ объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим. Сумма рабочих объемов всех цилиндров представляет собой рабочий объем двигателя. Выраженный в литрах, он называется литражом двигателя. Полный объем цилиндра определяется суммой его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.

Важной характеристикой двигателя является степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступивший в цилиндр заряд (воздух или топливо-воздушная смесь) при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия составляет 6 — 14, а у дизелей — 14 — 24. Принятая степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Работа поршневого ДВС основана на использовании давления на поршень газов, образующихся при сгорании в цилиндре смесей топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания 10, а в дизелях — вследствие сжатия. Различают понятия горючей и рабочей смесей. Горючая смесь состоит из топлива и чистого воздуха, а рабочая включает в себя также оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.

Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех процессов, каждый из которых происходит за один ход поршня (такт), или пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. Следует отметить, что в общем случае понятия «рабочий процесс» и «такт» не являются синонимами, хотя для четырехтактного поршневого двигателя они практически совпадают.

Рассмотрим рабочий цикл бензинового двигателя.

Первый такт рабочего цикла — впуск. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан 7 открыт, а выпускной 12 закрыт, и горючая смесь под действием разрежения поступает в цилиндр. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным рабочей смесью. У большинства бензиновых двигателей горючая смесь формируется вне цилиндра (в карбюраторе или впускном трубопроводе 8).

Следующий такт — сжатие. Поршень перемещается обратно из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. Это необходимо для ее более быстрого и полного сгорания. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия зависит от свойств применяемого бензина, и в первую очередь от его антидетонационной стойкости, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно составляет 76 — 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (в результате сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8… 1,2 МПа, а температура достигает 450…500°С.

За тактом сжатия следует расширение (рабочий ход), когда поршень из ВМТ перемещается обратно вниз. В начале этого такта, даже с некоторым опережением, горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания 10. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень перемещается до ЦМТ, приводя во вращение через шатун 3 коленчатый вал 1. В момент сгорания смеси температура в цилиндре повышается до 1800… 2 000 °С, а давление — до 2,5…3,0 МПа.

Последний такт рабочего цикла — выпуск. В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь вверх от НМТ к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной трубопровод 11. Затем рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл дизеля имеет некоторые отличия от рассмотренного цикла бензинового двигателя. При такте впуска по трубопроводу 8 в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время следующего такта сжимается. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается дизельное топливо в мелкораспыленном состоянии. Соприкасаясь с воздухом, имеющим вследствие сжатия высокую температуру, частицы топлива быстро сгорают. Выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700…2000 °С, а давление — до 7…8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз — происходит рабочий ход. Такты выпуска у дизеля и бензинового двигателя аналогичны.

Для того чтобы рабочий цикл в двигателе происходил правильно, необходимо согласовать моменты открытия и закрытия его клапанов с частотой вращения коленчатого вала. Это осуществляется следующим образом. Коленчатый вал с помощью зубчатой, цепной или ременной передачи приводит во вращение еще один вал двигателя — распределительный 9, который должен вращаться вдвое медленнее коленчатого. На распределительном валу имеются профилированные выступы (кулачки), которые непосредственно или через промежуточные детали (толкатели, штанги, коромысла) перемещают впускные и выпускные клапаны. За два оборота коленчатого вала каждый клапан, впускной и выпускной, открывается и закрывается только один раз: во время такта впуска и выпуска соответственно.

Уплотнение между поршнем и цилиндром, а также удаление со стенок цилиндра излишнего масла обеспечивают специальные поршневые кольца 13.

Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: с ускорением во время рабочего хода и замедлением при остальных, вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск). Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают массивный диск — маховик 14, который во время рабочего хода накапливает кинетическую энергию, а в течение остальных тактов отдает ее, продолжая вращаться по инерции.

Однако несмотря на наличие маховика, коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается недостаточно равномерно. В моменты воспламенения рабочей смеси картеру двигателя передаются значительные толчки, что быстро выводит из строя сам двигатель и детали его крепления. Поэтому одноцилиндровые двигатели применяются редко, в основном на двухколесных ТС. На других машинах устанавливают многоцилиндровые двигатели, которые обеспечивают более равномерное вращение коленчатого вала за счет того, что рабочий ход поршня в разных цилиндрах совершается неодновременно. Наиболее широкое распространение получили четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели, хотя на некоторых ТС используются также трех- и пятицилиндровые.

Многоцилиндровые двигатели обычно имеют рядное или V-образное расположение цилиндров. В первом случае цилиндры установлены в одну линию, а во втором — в два ряда под некоторым углом друг к другу. Этот угол для различных конструкций составляет 60… 120°; у четырех- и шестицилиндровых двигателей он обычно равен 90°. По сравнению с рядными V-образные двигатели такой же мощности имеют меньшую длину, высоту и массу. Нумерация цилиндров производится последовательно: сначала с передней части (носка) нумеруются цилиндры правой (по ходу движения машины) половины двигателя, а затем, также начиная с передней части, левой половины.

Равномерная работа многоцилиндрового двигателя достигается в том случае, если чередование рабочего хода в его цилиндрах происходит через равные углы поворота коленчатого вала. Угловой интервал, через который будут равномерно повторяться одноименные такты в разных цилиндрах, можно определить делением 720° (угол поворота коленчатого вала, при котором совершается полный рабочий цикл) на число цилиндров двигателя. Например, у восьмицилиндрового двигателя угловой интервал равен 90°.

Последовательность чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы должен быть таким, чтобы в наибольшей степени уменьшить отрицательное влияние на работу двигателя инерционных сил и моментов, возникающих из-за того, что поршни движутся в цилиндрах неравномерно и их ускорение меняется по величине и направлению. У четырехцилиндровых рядных и V-образных двигателей порядок работы может быть такой: 1 — 2 — 4 — 3 или 1 — 3 — 4—2, у шестицилиндровых рядных и V-образных двигателей — соответственно 1 — 5—3 — 6 — 2—4 и 1 — 4 — 2 — 5 — 3 — 6, а у восьмицилиндровых V-образных двигателей — 1 — 5 — 4 — 2— 6 — 3 — 7 — 8.

С целью более эффективного использования рабочего объема цилиндров и повышения их мощности в некоторых конструкциях поршневых двигателей осуществляют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува, т. е. создания на входе в цилиндр избыточного давления, чаще всего применяют газотурбинные компрессоры (турбокомпрессоры). В этом случае для нагнетания воздуха используется энергия отработавших газов, которые, выходя с большой скоростью из цилиндров, вращают турбинное колесо турбокомпрессора, установленное на одном валу с насосным колесом. Кроме турбокомпрессоров применяют также механические нагнетатели, рабочие органы которых (насосные колеса) приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя с помощью механической передачи.

Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью (бензиновые двигатели) или чистым воздухом (дизели), а также более полной их очистки от отработавших газов клапаны должны открываться и закрываться не в моменты нахождения поршней в ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах через углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, называются фазами газораспределения и могут быть представлены в виде круговой диаграммы.

Впускной клапан начинает открываться во время такта выпуска предыдущего рабочего цикла, когда поршень еще не достиг ВМТ. В это время отработавшие газы выходят через выпускной трубопровод я вследствие инерции потока увлекают за собой из открывшегося впускного трубопровода частицы свежего заряда, которые начинают наполнять цилиндр даже при отсутствии разрежения в нем. К моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения вниз впускной клапан уже открыт на значительную величину, и цилиндр быстро наполняется свежим зарядом. Угол а опережения открытия впускного клапана у различных двигателей колеблется в пределах 9…33°. Впускной клапан закроется тогда, когда поршень пройдет НМТ и начнет двигаться вверх на такте сжатия. До этого времени свежий заряд заполняет цилиндр по инерции. Угол р запаздывания закрытия впускного клапана зависит от модели двигателя и составляет 40… 85°.

Рис. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя:
а — угол опережения открытия впускного клапана; р — угол запаздывания закрытия впускного клапана; у — угол опережения открытия выпускного клапана; б — угол запаздывания закрытия выпускного клапана

Выпускной клапан открывается во время рабочего хода, когда поршень еще не достиг НМТ. При этом работа поршня, необходимая для вытеснения отработавших газов, уменьшается, компенсируя некоторую потерю работы газов из-за раннего открытия выпускного клапана. Угол Y опережения открытия выпускного клапана составляет 40…70°. Выпускной клапан закрывается несколько позднее прихода поршня в ВМТ, т. е. во время такта впуска следующего рабочего цикла. Когда поршень начнет опускаться, оставшиеся газы по инерции еще будут выходить из цилиндра. Угол 5 запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 9… 50°.

Угол а + 5, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие того что этот угол и зазоры между клапанами и их седлами в данном случае малы, утечки заряда из цилиндра практически нет. Кроме того, наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается за счет большой скорости потока отработавших газов через выпускной клапан.

Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это связано с тем, что у быстроходных двигателей все процессы газообмена происходят быстрее, а инерция заряда и отработавших газов не изменяется.

Рис. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:
1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина компрессора; 4 — силовая турбина; М — вращающий момент, передаваемый к трансмиссии машины

Принцип действия газотурбинного двигателя (ГТД) поясняет рисунок. Воздух из атмосферы засасывается компрессором 2, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 2, куда также подается топливо через форсунку. В этой камере происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают р турбину компрессору 3, где часть их энергии затрачивается на приведение в действие компрессора, нагнетающего воздух. Оставшаяся часть энергии газов преобразуется в механическую работу вращения свободной или силовой турбины 4, которая через редуктор связана с трансмиссией машины. При этом в турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления от максимального значения (в камере сгорания) до атмосферного.

Рабочие части ГТД в отличие от аналогичных элементов поршневого двигателя постоянно подвергаются воздействию высокой температуры. Поэтому для ее снижения в камеру сгорания ГТД необходимо подавать значительно больше воздуха, чем это требуется для процесса сгорания.