Общее устройство поршневых двигателей реферат
Наибольшее распространение на современных тракторах и автомобилях получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. Их работа основана на окислении жидкого топлива путем сжигания последнего в изолированных объемах (цилиндрах); выделяющаяся при этом тепловая энергия преобразуется здесь в механическую энергию вращающегося вала двигателя.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2, состоит из следующих основных элементов: картера, цилиндра, поршня с шатуном, вала с кривошипом, головки цилиндра, впускного и выпускного клапанов, камеры сгорания и свечи зажигания (или форсунки).
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Картер представляет собой замкнутый объем в нижней части двигателя. В полости картера вращается коленчатый вал с кривошипами. Над картером расположен цилиндр. Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень. Шарнирная связь поршня с кривошипом осуществляется через промежуточное звено — шатун. Свежий заряд топлива и воздуха (или чистого воздуха) поступает через впускной канал и расположенный в нем впускной клапан в камеру сгорания, где перед воспламенением подвергается сжатию.
Действительный двигатель в отличие от его принципиальной схемы имеет более сложное устройство. Он состоит из ряда механизмов и систем, имеющих специальное назначение, но работающих согласованно.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал в процессе работы воспринимает и суммирует механическую энергию всех поршней двигателя.
Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск свежего заряда путем открытия впускного клапана, надежное разобщение полости цилиндра и камеры сгорания от атмосферы при сжатии и расширении за счет плотного перекрытия клапанами впускного и выпускного каналов, а также очистку цилиндра от продуктов сгорания путем открытия выпускного клапана. С механизмом газораспределения связан декомпрессионный механизм, который путем постоянного сообщения полости цилиндра с атмосферой облегчает проворачивание коленчатого вала, исключая сжатие, а также обеспечивает продувку цилиндров.
Система питания служит для приготовления топливо-воздушной смеси такого состава, который бы обеспечивал экономичную и устойчивую работу двигателя на различных режимах. Автоматическое регулирование подачи топлива или топливовоздушной смеси в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя осуществляется системой регулирования (регулятором), непосредственно связанной с системой питания.
Система зажигания обеспечивает своевременное воспламенение сжатого в цилиндре заряда, она присуща только карбюраторному двигателю.
Система охлаждения поддерживает оптимальный тепловой режим работы двигателя.
Система смазки уменьшает трение между деталями двигателя путем подвода смазки на трущиеся поверхности, а также обеспечивает частичный отвод теплоты от тех деталей двигателя, которые не могут охлаждаться системой охлаждения.
Система пуска предназначена для надежного и достаточно быстрого запуска двигателя в различных метеорологических и эксплуатационных условиях.
Рассмотрим устройство поршневых ДВС на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения и систем: охлаждения, питания, смазки, зажигания и пуска.
Основная часть кривошипно-шатунного механизма — цилиндр, вдоль оси которого перемещается поршень с кольцами. С помощью поршневого пальца поршень соединен с верхней головкой шатуна. Нижняя головка шатуна установлена на коленчатом валу. Сверху цилиндр закрыт головкой, а снизу к нему примыкают картер и поддон. На заднем конце коленчатого вала установлен маховик, а на переднем — шестерня. От нее через шестерню приводится в действие механизм газораспределения, основным элементом которого является распределительный вал с кулачками, управляющими работой впускного и выпускного клапанов. Система питания двигателя включает в себя карбюратор в котором приготовляется смесь топлива с воздухвм. Карбюратор установлен на впускном трубопроводе, соединенным с отверстием клапана. Выпускной трубопровод соединен с отверстием клапана.
Одна из основных частей системы охлаждения — водяной насос. Он направляет охлаждающую жидкость в полость (водяную рубашку), окружающую наиболее нагретые части двигателя. Система смазки работает от насоса, который приводится в действие от шестерни. Масло из поддона подается к трущимся поверхностям через трубопровод. Для обеспечения принудительного воспламенения смеси топлива с воздухом в цилиндре двигателя служит система зажигания. Воспламенение происходит от электрической искры, возникающей между электродами свечи. Система пуска двигателя на рис. 2 не показана.
Принципиальное устройство дизеля во многом аналогично устройству рассмотренного карбюраторного двигателя. Отличием являются отсутствие системы зажигания и измененная система питания двигателя.
Рис. 2. Одноцилиндровый карбюраторный двигатель
Общее устройство поршневого двигателя и принцип работы.
ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии, эксплуатации и безопасности транспортно-технологических комплексов
Быков П.М. к.т.н., доцент.
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ, КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Лабораторная работа 1
 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ ДВС
Цель работы: изучение общего устройства и принципа действия дизельных и бензиновых двигателей, основных параметров и понятий ДВС, назначения основных механизмов и систем.
І. Содержание работы
При выполнении работы необходимо изучить следующие вопросы и отразить их письменно в отчете.
1. Общее устройство поршневых ДВС: принцип работы ДВС; назначение основных деталей (клапана, цилиндра, поршня, поршневого пальца, шатуна, коленчатого вала, картера, маховика); описание рабочего цикла двух- и четырехтактных двигателей; что такое наддув, его назначение.
2. Классификация ДВС: по способу воспламенения, способу смесеобразования, числу тактов в цикле, компоновке, способу охлаждения, назначению; различия в конструкции двигателя в зависимости от назначения (автомобильный, тракторный).
3. Основные понятия и определения: ход поршня, нижняя мертвая точка (НМТ), верхняя мертвая точка (ВМТ), такт, рабочий цикл, горючая смесь, рабочая смесь, свежий заряд, остаточные газы, рабочий и полный объемы цилиндра, степень сжатия (значения величины для дизельных и бензиновых двигателей, чем ограничивается), коэффициент избытка воздуха, индикаторная и эффективная мощности, механический и эффективный КПД (значения величины для дизельных и бензиновых двигателей), удельный эффективный расход топлива.
4. Отличия рабочих циклов дизельного и бензинового двигателей: применяемое топливо, способы воспламенения и смесеобразования, в каком двигателе смесеобразование более качественное, максимальные давления и температуры, номинальная частота вращения коленчатого вала, какой двигатель (дизельный или бензиновый) имеет большее КПД, номинальную мощность, почему.
5. Индикаторные диаграммы двух- и четырехтактных циклов: характерные точки, значения давления и температуры в этих точках. В отчете необходимо привести следующие схемы и рисунки: схемы работы двух- и четырехтактных ДВС, индикаторные диаграммы двух- и четырехтактных циклов, схемы различных компоновок ДВС.
ІІ. Теоретические основы рассматриваемых вопросов.
Общие сведения и классификация
Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра.
Классификация ДВС
Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель.
Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы.
Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:
• по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;
• по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;
• по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);
• по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;
• по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.
Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС.
За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала.
Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ).
Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.
Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°. Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства.
Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания Vc.
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра Vh.
,
где D – диаметр цилиндра, мм; S – ход поршня, мм
Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра Va.
Рис 2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания
Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.
где n– число цилиндров двигателя
Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называют степенью сжатия.
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 1,15 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.