Автомобильные двигатели

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І  НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

 

Кафедра

«АВТОМОБІЛІ ТА АВТОМОБІЛЬНЕ ГОСПОДАРСТВО»

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ

 

 

 

"АВТОМОБІЛЬНІ ДВИГУНИ"

Частина 1

(для спеціальності  7.090258

«Автомобілі та автомобільне господарство»)

№ кода 2802

 

Склали: ГОРОЖАНКІН С.А.,

      ЧУХАРКІН А.В.

 

 

 

Затверджені на засіданні кафедри "Автомобілі та автомобільне господарство"

ПРОТОКОЛ № 15 від 10.06.2003

 

 

 

 

 

Макіївка, 2003 р.

ЗМІСТ

 

 ТЕМА 1 ВСТУП

1.1 Типи автомобільних двигунів

Серед двигунів, що застосовуються в даний час, а також перспективних  для використання на автомобільному транспорті, слід зазначити наступні типи:

1. Двигуни внутрішнього згоряння, що підрозділяють на поршневі  і роторно-поршневі.

2. Газотурбінні двигуни (ГТД).

3. Двигуни зовнішнього  згоряння (парові, двигуни Стірлінга).

4. Електричні двигуни.

5. Криогенні двигуни.

6. Інерційні двигуни.

Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) у даний час є найбільш розповсюдженими автомобільними двигунами. У цих двигунах паливо згорає безпосередньо всередині робочого органа - циліндра (у поршневих двигунах) чи в порожнині, яка утворена ротором і корпусом (у роторних двигунах). Основною перевагою ДВЗ є безпосередній вплив продуктів згоряння палива на поршень. Це дає можливість домогтися порівняно високих значень термічного коефіцієнта корисної дії (ТККД).

Висока (у порівнянні з іншими типами теплових двигунів) економічність ДВЗ, можливість побудови їх у великому діапазоні потужностей, досить швидкий пуск, невеликі маса і розміри, порівняно невисока вартість, великий ресурс обумовили їхнє найширше використання в різних сферах діяльності. ДВЗ у даний час є практично єдиним типом двигунів у силових агрегатах не тільки автомобілів, але і тракторів, сільськогосподарської техніки, дорожніх, будівельних машин. Суднові, локомотивні й авіаційні силові установки малої потужності звичайно також представлені двигунами внутрішнього згоряння різних типів.

1.2 Коротка історія розвитку  ДВЗ, основні її етапи

Перший поршневий ДВЗ  був створений французьким інженером  Ленуаром. Двигун працював по двотактному  циклу, мав золотниковий газорозподіл, стороннє джерело запалювання і  споживав в якості палива світильний газ. Двигун Ленуара являв собою вкрай недосконалу теплову установку, неконкурентоспроможну навіть з паровими машинами того часу.

У 1870 р. німецьким механіком  Н.Отто був створений чотиритактний  газовий двигун, що працював по запропонованому французьким інженером Бо-де-Роша циклу зі згорянням палива при постійному об'ємі. По показниках двигун Н.Отто значно перевершував парові машини, протягом ряду років успішно використовувався в стаціонарних умовах і з'явився прообразом сучасних карбюраторних двигунів.

Бензиновий двигун транспортного  типу вперше в практиці світового  двигунобудування був запропонований російським інженером І.С.Костовичем. Двигун Костовича для того часу мав  високі показники і відрізнявся  прогресивною конструкцією. У двигуні було використано електричне запалювання.

У 90-х роках минулого сторіччя почався розвиток двигунів із запаленням від стиску – дизелів. Німецьким інженером Р.Дизелем  був розроблений робочий цикл двигуна, а в 1897 р. Р.Дизель побудував  перший зразок працездатного стаціонарного компресорного двигуна. Однак внаслідок конструктивної недосконалості двигун не одержав широкого поширення. Значних успіхів у виробництві компресорних дизелів домоглися російські інженери. Додавши ряд оригінальних змін у конструкцію двигуна Р.Дизеля, вони створили нові зразки двигунів.

Перші зразки безкомпресорних  дизелів (двигунів із запаленням від  стиску, що працюють без компресора для розпилювання палива) були розроблені російським інженером Г.В.Трінклером і побудовані в Росії. Особливої уваги дістала конструкція безкомпресорного дизеля для трактора, що розроблена російським винахідником Я.В.Маміним.

Успіхи в розвитку конструкцій ДВЗ були настільки  разючі, що вони швидко завоювали пріоритетні  позиції в суднобудуванні (катери, підвідні човни і навіть лінкори), автомобільній техніці й авіації, що тоді зароджувалася.

Поряд з розвитком  двигунобудування розвивалася і  теорія ДВЗ. Професор МВТУ В.І.Гріневецький вперше розробив метод теплового  розрахунку двигуна, який був розвитий і доповнений згодом професором Є.К.Мазінгом, членом-кореспондентом АН Н.Р.Брілінгом, академіком Б.С.Стєчкіним, В.Я.Климовим і іншими вченими. Цей метод широко використовується як у нас в країні, так і за кордоном. Паралельно удосконалювалися методи розрахунків на міцність, проводилися численні експериментальні дослідження.

На початку 30-х років  вступили в лад великі тракторні  й автомобільні заводи, у тому числі  в Україні. Автотракторні двигуни, що випускаються ними, використовуються в різних галузях, у тому числі  і на автомобільному транспорті.

Протягом першої половини ХХ століття ДВЗ стають основним типом  двигунів на усіх видах транспорту. До початку і протягом Другої світової війни у Великобританії, Німеччині, США, Італії, СРСР були створені досить якісні нові типи дизелів і комбінованих двигунів, що з успіхом використовувались у військовій техніці. В даний час тенденції в розвитку конструкцій ДВЗ спрямовані на підвищення їхньої економічності, збільшення терміну служби, зниження токсичності, рівня шуму, розширення меж регулювання і поліпшення ряду інших параметрів.

1.3 Області застосування ДВЗ

Поршневі і комбіновані  двигуни в залежності від їхнього  призначення виготовляються з потужністю від кількох сотень ватів до 40000 кВт. Основні області їхнього  застосування:

1. Автомобільний транспорт, трактори, сільгоспмашини й ін.

2. Залізничний транспорт,  у т.ч. енергопоїзди.

3. Морський і річковий  флот, катери.

4. Легкомоторна авіація.

5. Будівельна, дорожня  техніка (екскаватори, бульдозери, скрепери, грейдери, самохідні крани, компресори, пересувні електростанції й ін.).

6. Стаціонарна електроенергетика.

7. Привод компресорів,  насосів на трубопроводах, у  бурильних установках.

8. Моделі і модельні  установки.

9. Військова і спеціальна  техніка.

1.4 Класифікація ДВЗ

Ознаки класифікації ДВЗ можуть бути різними і визначаються як призначенням, особливостями практичного застосування, так і принципами побудови, елементами конструкції й ін. Тому при деякій умовності все-таки слід зазначити наступні загальноприйняті принципи й ознаки класифікації поршневих двигунів.

1. За призначенням: стаціонарні,  переносні, транспортні (автомобільні, тракторні, суднові, авіаційні  й ін.).

2. За родом застосовуваного  палива: двигуни легкого палива, важкого, газоподібного, багатопаливні.

3. За способом здійснення зарядки циліндрів: чотиритактні і двотактні двигуни.

4. За способом сумішоутворення:  двигуни із зовнішнім і внутрішнім  сумішоутворенням.

5. За способом запалення  суміші: двигуни із іскровим запалюванням  і двигуни із запаленням від  стиску.

6. За конструктивним розташуванням циліндрів і схемою: рядні і зіркоподібні, вертикальні і горизонтальні схеми. Крім того, рядні двигуни підрозділяють на V-, W-, H-, Y- і X-образні й ін. Деякі варіанти компонування представлені на малюнку 1.1.

7. За способом охолодження двигуни підрозділяють на двигуни з рідинним і повітряним охолодженням.

Крім перерахованих  ознак іноді двигуни класифікують за способами регулювання, швидкості  обертання, ознакам циклу, наявності  систем наддуву і т.д.

У сучасних автомобілях  застосовуються переважно чотиритактні поршневі двигуни з рядним, V-образним і оппозитним розташуванням циліндрів.

1.5 Порівняння чотиритактних двигунів  із двотактними

В даний час застосовуються, в основному, чотиритактні ДВЗ. Однак  у деяких установках (суднових, тепловозних) іноді використовуються і двотактні двигуни. Переваги чотиритактних двигунів у порівнянні з двотактними:

• більший ККД, особливо при часткових навантаженнях;
• менша теплова напруженість деталей;
• краще очищення і наповнення циліндрів (примусові процеси);
• можливість застосування турбокомпресора для наддуву;
• менша витрата масла і нагароутворення.

До основних переваг  двотактних двигунів у порівнянні з  чотиритактними варто віднести наступні:

• велика питома потужність (літрова – у 1,5 – 1,7 рази);
• велика рівномірність крутного моменту (при однаковому числі циліндрів);
• більш легкий і простий пуск;
• простота і менша вартість конструкції.

Малюнок 1.1 – Варіанти компонування поршневих ДВЗ

 

 ТЕМА 2 ДІЙСНІ ЦИКЛИ ДВЗ

 

Малюнок 2.1 – Ідеальні цикли Отто, Дизеля і Трінклера

 

2.1 Методи розрахунку дійсних  циклів

На малюнку 2.1 представлені цикли Отто, Дизеля і Трінклера, розглянуті при аналізі ідеальних циклів ДВЗ.

Замкнуті теоретичні (ідеальні) цикли ДВЗ дають наочне представлення про протікання процесів у реальних двигунах, якісних залежностях основних показників цих двигунів від різних параметрів циклів. У той же час кількісні значення параметрів реальних циклів дуже далекі від них у силу цілого ряду причин. Серед них, у першу чергу, необхідно відзначити наступні.

1. Теплоємність робочого  тіла не постійна, як це приймається  при розгляді ідеальних циклів, а істотно змінюється зі зміною  складу і температури робочого  тіла.

2. Процес згоряння  палива в ДВЗ відбувається  по досить складних законах  і супроводжується інтенсивним теплообміном.

3. Безупинний інтенсивний  теплообмін через стінки, голівку  циліндрів, поршні й інші елементи  конструкції.

4. Процеси газообміну, тобто впуску і випуску робочого  тіла.

5. Витоку робочого  тіла.

6. Підігрів повітря,  що надходить у двигун.

Деякі з перерахованих  факторів вдається врахувати при  розгляді дійсних циклів, що іноді  називають «розімкнутими». Ці цикли, у порівнянні з ідеальними, значно більшою мірою відображають параметри  реальних двигунів, оскільки вони враховують наступні фактори:

1. Процеси впуску і  випуску (зміни температури і  тиску робочого тіла, а також  гідравлічні втрати при цьому  не враховуються).

2. Зміна складу робочого  тіла протягом протікання циклу,  а також його теплоємності  зі змінами температури. 

3. Залежність показників адіабат стиску і розширення від середньої теплоємності.

4. Процес згоряння  палива, а також зміна молекулярного  складу робочого тіла.

5. Утрати теплоти від  хімічної неповноти згоряння  палива, а також на підігрів  залишкових газів і надлишкового  повітря.

В даний час розроблені методики розрахунку подібних циклів, однак, досить надійні і достовірні результати теплового розрахунку дають тільки напівемпіричні методики теплового  розрахунку, що враховують результати експериментальних досліджень, накопичений досвід конструювання, виготовлення й експлуатації двигунів. У них розрахунок параметрів і характеристик ДВЗ здійснюється на основі детального аналізу процесів газообміну, стиску, сумішоутворення і згоряння, розширення.

 

Малюнок 2.2 – Дійсні цикли чотиритактних і двотактних ДВЗ

 

2.2 Основні відомості про робочі  цикли ДВЗ

Робочий цикл карбюраторного чотиритактного двигуна

Такт впуску. Поршень рухається від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ), створюючи розрідження в порожнині циліндра, над собою. Впускний клапан відкритий, і циліндр заповнюється пальною сумішшю. Пальна суміш, перемішуючись з залишковими газами в циліндрі, утворить робочу суміш. Через гідравлічний опір впускного тракту і нагрівання суміші, тиск наприкінці такту впуску складає приблизно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.

Такт стиску. Поршень рухається від НМТ до ВМТ. Впускний і випускний клапани закриті. Робоча суміш у циліндрі стискується до 0,7-1,5 МПа. Температура стиснутої суміші досягає 300-450^ОС. Наприкінці такту стиснута суміш запалюється електричною іскрою. У процесі згоряння палива тиск у циліндрі підвищується до 3,0-4,5 МПа, а температура газів до 1900-2400°С.

Такт розширення. Іноді його називають робочим ходом. Починається рухом поршня від ВМТ до НМТ під дією тиску утворених продуктів згоряння. Обидва клапани закриті. Шарнірно зв'язаний з поршнем шатун приводить в обертання колінчастий вал, роблячи корисну роботу. До кінця такту розширення тиск газів зменшується до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 - 1200°С.

Такт випуску. Поршень рухається від НМТ до ВМТ. Через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виходять з циліндра в атмосферу через випускну трубу. До кінця такту випуску тиск у циліндрі складає близько 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.

Після проходження поршнем ВМТ закривається випускний клапан і робочий цикл завершується. Наступний рух поршня до НМТ – такт впуску – є початком наступного циклу.

Цикл чотиритактного дизеля

У дизелі на відміну від  карбюраторного двигуна повітря  і паливо в циліндри вводяться роздільно.

Такт впуску. Поршень рухається від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий і в циліндр надходить повітря або за рахунок розрідження в циліндрі, або за рахунок надлишкового тиску повітря, створюваного нагнітачем у дизелі з наддувом. Тиск наприкінці такту впуску в дизеля без наддуву 0,08-0,09 МПа, а температура повітря 50-80^ОС.

Такт стиску. Обидва клапани закриті. Поршень двигуна від НМТ до ВМТ і стискає повітря, перемішане із залишковими продуктами згоряння. Через великий ступінь стиску (14-21) тиск повітря наприкінці цього такту досягає 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При цьому положенні поршня в камеру згоряння впорскується дрібно распилене паливо, що, потрапляючи в середовище сильно нагрітого повітря, нагрівається, випаровується, запалюється і згорає. Тиск газів підвищується до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.