Всё об автомобилях — двигатель внутреннего сгорания


Двигатель внутреннего
сгорания
Тепловой
двигатель, в котором химическая энергия топлива,
сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был
сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий
изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. в.
с. По сравнению с паромашинной установкой Д. в. с. принципиально более
прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования —
парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую
компактность Д. в. с., меньшую массу на единицу мощности, более высокую
экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ,
нефть).
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый
бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель,
работая над повышением эффективности Д. в. с., предложил двигатель с
воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого Д. в. с. на заводе Л.
Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило
применить в качестве топлива нефть. В результате этого Д. в. с.
становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901
в США был разработан первый трактор с Д. в. с. Дальнейшее развитие
автомобильных Д. в. с. позволило братьям О. и У. Райт
построить первый самолёт с Д. в. с., начавший свои полёты в 1903. В
том же 1903 рус. инженеры установили Д. в. с. на судне «Вандал», создав
первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был
создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной
тепловоз.
По роду топлива Д. в. с. разделяются на двигатели жидкого
топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на
4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива
и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К
двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в
которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в Карбюраторе,
и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха
образуется в смесителе. В Д. в. с. с внешним смесеобразованием зажигание
рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В
двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях (См. Дизель))
топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух,
нагретый до высокой температуры.
Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного Д. в. с.
совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого
вала. При 1-м такте — впуске поршень движется от верхней мёртвой точки
(в. м. т.) к нижней мёртвой точке (н. м. т.). Впускной клапан при этом
открыт (рис. 1) и горючая смесь из карбюратора
поступает в цилиндр. В течение 2-го такта — сжатия, когда поршень
движется от н. м. т. кв. м. т., впускной и выпускной клапаны закрыты и
смесь сжимается до давления 0,8—2 Мн/м2 (8—20 кгс/см2).
Температура
смеси в конце сжатия составляет 200—400°C. В конце сжатия смесь
воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива.
Сгорание имеет место при положении поршня, близком кв. м. т. В конце
сгорания давление в цилиндре составляет 3—6 Мн/м2 (30—60
кгс/1см2), а температура 1600—2200°C. 3-й
такт цикла — расширение называется рабочим ходом; в течение этого такта
происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в
механическую работу. 4-й такт — выпуск происходит при движении поршня от
н. м. т. к в. м. т. при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы
вытесняются поршнем.
Рабочий цикл 2- тактного карбюраторного Д. в. с.
осуществляется за 2 хода поршня или за 1 оборот коленчатого вала (рис.
2). Процессы сжатия, сгорания и расширения практически
аналогичны соответствующим процессам 4-тактного Д. в. с. При прочих
равных условиях 2-тактный двигатель должен быть в 2 раза более мощным,
чем 4-тактный, т. к. рабочий ход в 2-тактном двигателе происходит в 2
раза чаще, однако на практике мощность 2-тактного карбюраторного Д. в.
с. часто не только не превышает мощность 4-тактного с тем же диаметром
цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем,
что значительная часть хода (20—35% ) поршень совершает при открытых
окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не
производит работы; продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие
воздуха в продувочном насосе; очистка пространства цилиндра от продуктов
сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в
4-тактном Д. в. с.
Рабочий цикл карбюраторного Д. в. с. может быть
осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000—7000 об/мин).
Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин
и более. Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха
(по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на
обеднённой смеси (18 : 1) или обогащенной смеси (12 : 1). Слишком
богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости
сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания.
Регулирование мощности карбюраторного Д. в. с. осуществляется
изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное
регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и
воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице
объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют
сравнительно небольшие габариты и массу [ 1—4 кг/квт ( 0,75—3 кг/л.
с.)]. Применение низких степеней сжатия (См. Степень
сжатия) обусловливает умеренные давления в конце сгорания,
вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в
дизелях. При увеличении диаметра цилиндра кароюраторного Д. в. с.
возрастает склонность двигателя к детонации (См. Детонация),
поэтому карбюраторные Д. в. с. не делают с большими диаметрами
цилиндров (как правило, не более 150 мм). Примером
карбюраторного Д. в. с. может служить двигатель ГАЗ-21 «Волга». Это
4-цилиндровый 4-тактный двигатель, развивающий мощность 55 квт
(75 л. с.) при 4000 об/мин и степени сжатия
6,7. Удельный расход топлива на наиболее экономичном режиме составляет
290 г;(квт.ч).
Наибольшая мощность 4-тактного карбюраторного Д.
в. с. 600 квт (800 л. с.). Мотоциклетные карбюраторные
2-тактные и 4-тактные Д. в. с. имеют мощность от 3,5 до 45 квт
(от 5 до 60 л. с.). Авиационные поршневые двигатели с непосредственным
впрыском бензина и искровым зажиганием развивают до 1100 квт
(1500 л. с.) и более.
Карбюраторные Д. в. с. представляют собой сложный агрегат,
включающий ряд узлов и систем.
Остов двигателя — группа неподвижных деталей, являющихся
базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся
блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого
вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и
ряд мелких деталей.
Механизм движения — группа движущихся деталей,
воспринимающих давление газов в цилиндрах и преобразующих это давление в
крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм движения
включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и
маховик).
Механизм газораспределения служит для своевременного
впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов. Эти
функции выполняют кулачковый (распределительный) вал, приводимый в
движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла,
открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами.
Система смазки — система агрегатов и каналов, подводящих
смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне,
подаётся насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный
канал в блок-картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и
кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения.
Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным
туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в
подшипниках вращающихся деталей. Часть масла отводится по параллельным
каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон.
Система охлаждения может быть жидкостной и воздушной.
Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных
охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. п.), насоса, радиатора, в
котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и
устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение
осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком
воздуха (на мотоциклах).
Система питания осуществляет приготовление горючей смеси
из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в
количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из
топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра,
трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы.
Система зажигания служит для образования в камере сгорания
искры, воспламеняюшей рабочую смесь. В систему зажигания входят
источники тока — генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от
которого зависит момент подачи искры. В систему включается
распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В
одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу
прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение
(12—20 кв). В то время, когда Д. в. с. не имели электрического
зажигания, применялись запальные калоризаторы.
Система пуска состоит из электрического стартёра, шестерён
передачи от стартёра к маховику, источника тока (аккумулятора) и
элементов дистанционного управления. В функции системы входит вращение
вала двигателя для пуска.
Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов,
воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске.
Газовые Д. в. с. работают большей частью па природном газе
и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Кроме того, могут
быть использованы: газ, генерируемый в результате неполного сгорания
твёрдого топлива, металлургические газы, канализационные газы и пр.
Применяются как 4-тактные, так и 2-тактныс газовые Д. в. с. По принципу
смесеобразования и воспламенения газовые двигатели разделяются на: Д. в.
с. с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, в которых рабочий
процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя; Д. в. с. с
внешним смесеобразованием и зажиганием струей жидкого топлива,
воспламеняющегося от сжатия; Д. в. с. с внутренним смесеобразованием и
искровым зажиганием. Газовые двигатели, использующие природные газы,
применяются на стационарных электростанциях, компрессорных
газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси
используются для автомобильного транспорта (см. Газобаллонный
автомобиль).
Экономичность работы Д. в. с. характеризуется
эффективным кпд, который представляет собой отношение полезной работы к
количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного
на получение этой работы. Максимальный эффективный кпд наиболее
совершенных Д. в. с. около 44%.
Основным преимуществом Д. в. с., так же как и др. тепловых
двигателей (например, реактивных двигателей (См. Реактивный
двигатель)), перед двигателями гидравлическими и
электрическими является независимость от постоянных источников энергии
(водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки,
оборудованные Д. в. с., могут свободно перемещаться и располагаться в
любом месте. Это обусловило широкое применение Д. в. с. на транспортных
средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной
военной технике и т. п.).
Совершенствование Д. в. с. идёт по пути повышения их
мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов,
создания новых конструкций (см., например, Ванкеля
двигатель). Можно наметить также такие тенденции в
развитии Д. в. с., как постепенное замещение карбюраторных Д. в. с.
дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных
двигателей (См. Многотопливный
двигатель), увеличение частоты вращения и др.
Лит.: Двигатели внутреннего сгорания, т. 1—3, М..
1957—62; Двигатели внутреннего сгорания, М., 1968.
Д. Н. Вырубов, В. П. Алексеев.
Всё об автомобилях - двигатель внутреннего сгорания
Рис. 1. Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного двигателя.
Всё об автомобилях - двигатель внутреннего сгорания
Рис. 2. Схема работы 2-тактного карбюраторного Д. в. с. с
кривошипно-камерной продувкой: вверху — сжатие и наполнение кривошипной
камеры; внизу — продувка и выпуск; 1 — свеча зажигания; 2 — поршень; 3 —
продувочное окно; 4 — выпускное окно; 5 — кривошипная камера; 6 —
карбюратор; 7 — впускное окно; 8 — головка цилиндра; 9 — цилиндр.

Большая советская энциклопедия. — М.:
Советская энциклопедия.
1969—1978



Источник: //bestcar.3dn.ru/index/dvigatel_vnutrennego_sgoranija/0-26

Оставить комментарий