Дизельный и карбюраторный двигатели

Дизельный и карбюраторный  двигатели.

Ди́зельный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.

Спектр топлива для дизелей  весьма широк, сюда включаются все фракции  нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

Компрессионные карбюраторные двигатели не относят к дизельным двигателям, так как в «дизелях» происходит сжатие чистого воздуха, а не топливо-воздушной смеси. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия.

Карбюраторный двигатель - один из типов двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и автономным зажиганием.

В карбюраторном двигателе в цилиндры двигателя поступает готовая топливовоздушная смесь, приготавливаемая чаще всего в карбюраторе, давшем название типу двигателя, либо в газовоздушном смесителе, либо образующаяся при впрыске топлива, распыленного специальной форсункой, в поток всасывающегося воздуха - такие двигатели называются впрысковыми или инжекторными.

Независимо от способа смесеобразования и количества тактов в рабочем  цикле карбюраторные двигатели  имеют одинаковый принцип работы, а именно: сжатая в камере сгорания горючая смесь в определенный момент поджигается системой зажигания, чаще всего электроискровой. Может  также использоваться зажигание  смеси от калильной трубки, в настоящее  время в основном в дешевых  малогабаритных двигателях, например, на авиамоделях; плазменное, лазерное зажигание - в настоящее время  в состоянии, скорее, экспериментальных  разработок.

Основные понятия  и определения в поршневом  двигателе внутреннего сгорания

Что подразумевается  под мертвой точкой в двигателе?

Положение поршня в цилиндре двигателя, при котором он меняет направление движения, называется мертвой  точкой. Различают верхнюю мертвую  точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ).

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — положение поршня в цилиндре, при ко-тором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наибольшее. 
Нижняя мертвая точка (НМТ)- положение поршня в цилиндре, в котором

1

расстояние от него до оси  коленчатого вала двигателя наименьшее.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — положение поршня в цилиндре, при ко-тором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наибольшее. 
Нижняя мертвая точка (НМТ)- положение поршня в цилиндре, в котором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наименьшее.

Что называется ходом  поршня?

Расстояние, проходимое поршнем  в цилиндре от одной мертвой точки  к другой, называется ходом поршня S = 2r, где r – радиус кривошипа, равный расстоянию между осями шатунной и коренной шеек коленчатого вала. При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на пол-оборота (на 180°).

Что называется тактом?

Движение поршня в цилиндре с выполнением определенной работы (впуск горючей смеси, ее сжатие, восприятие давления газов при их расширении в момент сгорания горючей  смеси и выпуск, т. е. выталкивание отработавших газов из цилиндра с  целью его очистки) называется тактом. Обычно такт совершается за один ход  поршня.

Какие такты различают  в четырехтактных двигателях?

В четырехтактных двигателях различают четыре такта: впуск, сжатие, расширение (рабочий ход) и выпуск.

Что подразумевается  под рабочим циклом двигателя?

2

Под рабочим циклом двигателя  подразумевается комплекс процессов  в последовательности – впуск, сжатие, расширение (рабочий ход), выпуск, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя.

Такт — часть рабочего цикла за время движения поршня от одной мертвой точки до другой. Условно принимаем, что такт происходит за один ход поршня. 
Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня или за два оборота коленчатого вала, называют четырехтактными Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, называют двухтактными. 
Работу двигателя за один цикл определяют по индикаторной диаграмме, получаемой с помощью индикаторов. Индикаторная диаграмма представляет собой график зависимости давления газа в цилиндре от угла поворота коленчатого вала двигателя. Перестроив диаграмму в рV-координатах, получают площадь, соответствующую в масштабе работе, совершаемой в цилиндре двигателя за один цикл. Рабочий цикл четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием. Рассмотрим подробно каждый такт цикла. 

Такт впуска. Поршень приводится в действие от коленчатого вала через шатун. Поршень движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в полости цилиндра над поршнем. Впускной клапан открыт, и цилиндр через впускную трубу и карбюратор (или инжектор, или смеситель сообщается с атмосферой.

Такт — часть рабочего цикла за время движения поршня от одной мертвой точки до другой. Условно принимаем, что ТАКТ происходит за один ход поршня. 
Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в полости цилиндра над поршнем. Выпускной клапан открыт, и цилиндр через впускную трубу и карбюратор (или инжектор, или смеситель) сообщается с атмосферой. Под действием разности давлений воздух, проходя через карбюратор (инжектор, сместитель), смешивается с топливом, образуя горючую смесь, которая заполняет цилиндр до прихода поршня в НМТ. К этому моменту времени впускной клапан закрывается. Горючая смесь, заполняя цилиндр, перемешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска 0,07...0,09 МПа, температура рабочей смеси 330...390 К.

Такт сжатия. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень дви-жется от НМТ к ВМТ. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень в процессе движения сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. Давление в конце такта сжатия увеличивается, достигая 0,9...1,2 МПа, а температура- 500...700 К. 
В конце такта сжатия между электродами свечи возникает электрическая

 

3

искра, от которой рабочая  смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое  количество теплоты, давление продуктов 
сгорания в цилиндре повышается до 3...4,5 МПа, а температура- до 2700 К.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Под давлением продуктов сгорания поршень движется от ВМТ к НМТ и через шатун приводит во вращение коленчатый вал, т. е. совершает полезную работу. К концу такта расширения давление продуктов сгорания в цилиндре уменьшается до 0,3...0,4 МПа, а температура- до 1200...1400 К.

Такт выпуска. Когда поршень подходит к НМТ, открывается выпускной клапан и отработавшие газы под действием избыточного давления удаляются из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. Когда же поршень пе-ремещается от НМТ к ВМТ, он выталкивает из цилиндра оставшиеся отработанные газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11...0,12 МПа, а температура-700...1000 К. Далее рабочий цикл повторяется.  
Рабочий цикл четырехтактного дизеля. В отличие от двигателя с внешним смесеобразованием в цилиндр дизеля, воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень, приводимый в действие от коленчатого вала через шатун, перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает воздух. 
В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление продуктов сгорания в цилиндре повышается до 3...4,5 МПа, а температура — до 2700 К.

Такт впуска. Поршень, приводимый в действие от коленчатого вала через шатун, перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает воздух

Какие двигатели  называются четырехтактными?

Это двигатели, в которых  рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота  коленчатого вала двигателя.

Какие такты различают  в двухтактных двигателях?

В двухтактных двигателях различают такты сжатия и расширения (рабочий ход).

Какие двигатели  называются двухтактными?

Это двигатели, в которых  рабочий цикл совершается за два  хода поршня или за один оборот коленчатого  вала.

Что подразумевается  под рабочим объемом цилиндра и как он определяется?

4

 

 

Пространство, освобождаемое  поршнем в цилиндре при его  движении от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом цилиндра (Vp) и  определяется по формуле:

(см3)   или

(литров),

где D – диаметр цилиндра, см; S – ход поршня, см; π – отношение  длины окружности цилиндра к его  диаметру (π = 3,14); i – количество цилиндров.

Что называется литражом двигателя?

Сумма рабочих объемов  цилиндров двигателя, выраженная в  литрах, называется литражом двигателя.

Что называется объемом  камеры сгорания (сжатия)?

Объем над поршнем, когда  он находится в ВМТ, называется объемом  камеры сгорания (сжатия), Vc.

Что называется полным объемом цилиндра?

Сумма рабочего объема и  объема камеры сгорания составляет полный объем цилиндра Vп, т. е. Vп = Vp + Vc.

Что называется степенью сжатия?

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, называется степенью сжатия ε, т. е.

 

 

5

Что характеризует  степень сжатия?

Степень сжатия является абстрактным  числом, показывающим, во сколько раз  полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания, или во сколько  раз сжимается горючая смесь  в цилиндре карбюраторного или воздух дизельного двигателя при движении поршня от НМТ к ВМТ. Чем выше степень  сжатия, тем мощнее и экономичнее  двигатель. Однако степень сжатия ограничивается свойствами топлива, токсичностью отработавших газов и нагрузкой на детали кривошипно-шатунного  механизма.

В каких пределах находится степень сжатия современных  двигателей?

В современных карбюраторных  двигателях степень сжатия находится  в пределах 6-10, дизельных – 12-23.

Рабочие такты 2х  и 4х тактных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного  карбюраторного двигателя.

Рис.1 Рабочий цикл четырёхтактного  карбюраторного двигателя

Первый такт –  впуск горючей смеси.(рис. 1а) 
Горючей смесью называется смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции. Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор, о чем мы с вами поговорим чуть позже. А пока следует знать,

6

что соотношение бензина  к воздуху 1:15 считается оптимальным  для обеспечения нормального  процесса горения.

При такте впуска поршень  от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем  над поршнем увеличивается. Цилиндр  заполняется горючей смесью через  открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь. 
Хочется посоветовать читателю, почаще включать свое воображение, сравнивая сложное с простым. Если вам удастся почувствовать, как бы ощутить на себе те процессы, которые протекают в двигателе, да и в автомобиле в целом, то многие из «секретов» машины станут для вас «открытой книгой». 
 
Например, наверняка каждый из вас видел, как медицинская сестра, готовясь сделать укол, набирает шприцем лекарство из ампулы. За счет перемещения поршня шприца, над ним создается разряжение, которое и засасывает из ампулы то, что позже «вольется» в «мягкое место» пациента. Почти то же самое происходит и в цилиндре двигателя в процессе такта впуска. 
Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота. 
В процессе заполнения цилиндра горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется – рабочая. 
 
Второй такт - сжатие рабочей смеси.(рис. 1б) 
При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. 
Оба клапана плотно закрыты и поэтому рабочая смесь сжимается. Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Так и здесь. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9 - 10 кг/см2, а температура 300 - 400оС. 
В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя, имеющий название – степень сжатия (например 8,5). А что это такое? Надеюсь сейчас это станет понятно. 
 
Третий такт - рабочий ход .(рис. 1в) 
Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля. 
                                                                7

В самом конце такта  сжатия, рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода, сгорающая  смесь начинает активно расширяться. А так как впускной и выпускной  клапаны все еще закрыты, то расширяющимся  газам остается только один единственный выход - давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого  давления, достигающего 40 кг/см2, начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила 2000 кг и более, которая  через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент. При такте рабочего хода, температура в цилиндре достигает 2000 градусов и выше. 
 
Коленчатый вал при рабочем ходе поршня делает очередные пол-оборота. 
Позднее мы вернемся к этим огромным цифрам, похожим на температуры в доменной печи. А пока следует отметить для себя, что процесс рабочего хода происходит за очень короткий промежуток времени, по сравнению с которым, удивленное «хлопание» ресницами ваших глаз после прочтения этого сюжета, длится целую вечность. 
 
Четвертый такт - выпуск отработавших газов (рис. 1г) 
При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт) и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя. Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге едет автомобиль без глушителя выхлопных газов, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя - при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота. 
После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск... и так далее.

Рабочий цикл четырехтактного  дизельного двигателя.

Рис.2 Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.

 

8

Первый такт – впуск(рис. 2), служит для наполнения цилиндра двигателя только воздухом. 
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, происходит всасывание воздуха через открытый впускной клапан. 
 
Второй такт – сжатие(рис 2), необходим для подготовки к самовоспламенению дизельного топлива. 
При своем движении к верхней мертвой точке, поршень сжимает воздух в 18 - 22 раза (у карбюраторных в 8 - 10 раз). Поэтому в конце такта сжатия, давление над поршнем достигает 40 кг/см2, а температура поднимается выше 500 градусов. 
 
Третий такт - рабочий ход(рис 2), служит для преобразования энергии сгораемого топлива в механическую работу. 
В конце такта сжатия, в камеру сгорания, через форсунку под давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. 
При сгорании дизельного топлива (взрыве), происходит его расширение и увеличение давления. При этом возникает усилие, которое перемещает поршень к нижней мертвой точке и через шатун проворачивает коленчатый вал. Во время рабочего хода давление в цилиндре достигает 100 кг/см2, а температура превышает 2000о. 
 
Четвертый такт – выпуск отработавших газов(рис. 2), служит для освобождения цилиндра от отработавших газов. 
Поршень от нижней мертвой точки поднимается к верхней мертвой точке и, через открытый выпускной клапан, выталкивает отработавшие газы. 
При своем последующем движении вниз, поршень засасывает свежую порцию воздуха, происходит такт впуска и рабочий цикл повторяется. 
В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества - меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.