Общее устройство поршневого двигателя и принцип работы.

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую. Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.

Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис.3.

а)	б)
Рис. 3. Схемы рабочего цикла двигателей

По схеме, изображенной нарис. 3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом. Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется. В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.

Общее устройство поршневого двигателя и принцип работы.

Принципы преобразования тепловой энергии топлива в механи­ческую работу являются одинаковыми для всех поршневых двига­телей, включая роторно-поршневые. Рабочий цикл любого поршневого двигателя состоит из семи последовательно протекающих процессов:

1) заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом (или воздухом);

2) приготовления топливовоздушной смеси;

3) сжатия топливовоздушной смеси (или воздуха);

4) воспламенения смеси;

5) сгорания топливовоздушной смеси;

6) расширения сгоревшей смеси (рабочий ход);

7) выпуска отработавших газов.

При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси — вне цилиндра (двигатель с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а так­же двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.

Одинаковые принципы преобразования тепловой энергии топлива, выделяющейся при его сгорании, в механическую работу предопределили очень похожие и конструктивные схемы всех пор­шневых двигателей, кроме роторно-поршневых.

На рис.4 пред­ставлена типичная схема поршневого двигателя.

а)

б)

Рис.4. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания: а — продольный разрез; б — поперечный разрез; 1 — коленчатый вал; 2 — цилиндр; 3 — шатун; 4 — поршень; 5 — кольца; 6 — камера сгорания; 7 — впускной клапан; 8 — впускной патрубок; 9— свеча; 10 — выпускной клапан; 11 — выпускной патрубок; 12 — поршневой палец; 13 — ка­ртер; 14 — маховик; 15— поддон; 16 — коренные подшипники.

Двигатель состоит из: цилиндра 2 с камерой сгорания 6, поршня 4 с кольцами 5, шатуна 3 и коленчатого вала 1. Коленчатый вал обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Впускной клапан 7 и выпускной 10, регу­лируют открытие и закрытие соответственно впускной 8 и вы­пускной 11 систем, обеспечивая зарядку цилиндра продуктами сгорания и отвода отработанных газов. Маховик 14, обеспечивает равномерность вращения коленчатого вала. Двигатель снабжён картером 13 и поддоном для смазки 15, коренных подшипников коленчатого вала 16.

Все конструктивные схемы поршневых двигателей характеризу­ются несколькими основными параметрами. К ним относятся (см. рис.4): диаметр цилиндра D и ход поршня S, равный удвоенному радиусу кривошипа r. Двигатели с S/D>1 называются длинноходными, а с S/D< 1 — короткоходными; отношение радиуса кривоши­па r к длине шатуна l — безразмерная величина, λ=r/l должна обес­печить свободное движение шатуна без задевания за стенки цилинд­ра и свободное перемещение поршня без задевания за коренные подшипники коленчатого вала; рабочий объем цилиндра V_h и объем камеры сгорания V_c, сумма которых является полным объемом ци­линдра V_a; литраж двигателя , где i – число цилиндров, D и S выражены в см; степень сжатия ε – отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_с, вели­чина которой устанавливается в зависимости от детонационной стойкости топлива.

3. Коэффициент избытка воздуха.

В зависимости от условий работы двигателя, способа регулирования мощности, типа смесеобразования и условий сгорания топлива на каждую массовую или объемную единицу топлива приходится количество воздуха, которое может быть больше, равно или меньше теоретически необходимого для полного сгорания топ­лива.

Отношение действительного количества воздуха l (или L), участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха l₀ (или L_o) называется коэффициентом избытка воздуха:

При испытаниях ДВС коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

где G _в, G _т – часовые расходы воздуха и топлива, кг/ч.

Для воспламенения топливовоздушной смеси от искры существуют концентрационные пределы (табл.1).

Концентрационные пределы распро­странения пламени в двигателях с принудительным воспламенением

Таблица 1

При расчете цикла среднее зна­чение коэффициента избытка возду­ха выбирают, как правило, для ре­жима номинальной мощности, уста­навливаемой заводом-изготовите­лем на основе статистических дан­ных, полученных при испытаниях различных двигателей.

В бензиновых двигателях при составе свежего заряда, соответствующем α=1,05…1,15 (обедненная смесь) имеет место наиболее полное сгорание топлива и соответственно наибольшая экономичность двигателя. Максимальная литровая мощность развивается при α=0,80…0,85 (богатая смесь), так как скорость сгорания такой топливовоздушной смеси наи­большая. Однако работа двигателя при таких значениях α сопровождается значительной неполнотой сгорания и повышенным расходом топлива. В отработавших газах (ОГ) существенно повышается содержание углеводо­родов CH, оксида углерода CO. В то же время оксидов азота NO _x образует­ся меньше.

С целью повышения экономичности двигателя на номинальной мощ­ности принимают α=0,95…0,98. Основной же целью применения обеднен­ных смесей α > 1,15 является снижение содержания в отработавших газах вредных выбросов. Принятие более высоких значений коэффициента из­бытка воздуха (до 1,3 и выше) возможно в двигателях с впрыском бензина при турбулизации заряда, форкамерно-факельном зажигании и других спо­собах интенсификации смесеобразования.