ЧАСТЬ ПЕРВАЯ Устройство и техническое обслуживание автомобиля
Двигатель
Глава 3. Элементы теории двигателя внутреннего сгорания
Классификация и циклы двигателей. На современных
автомобилях устанавливают тепловые поршневые двигатели внутреннего
сгорания, в которых топливо сжигается непосредственно внутри рабочего
цилиндра.
По способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели
внутреннего сгорания разделяются на две группы: а) с внешним
смесеобразованием и принудительным зажиганием от электрической искры
(карбюраторные и газовые); б) с внутренним смесеобразованием и
воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре
путем высокого сжатия (двигатели с воспламенением от сжатия или дизели).
Совокупность нескольких процессов, периодически и в определенной
последовательности повторяющихся в каждом рабочем цилиндре поршневого
двигателя во время работы, называется рабочим циклом.
Изображение рабочего цикла в виде замкнутой кривой, показывающей
изменение давления газов в течение цикла в зависимости от положения
поршня в цилиндре, называется индикаторной диаграммой. Такую диаграмму
снимают с работающего двигателя при помощи прибора, называемого
индикатором.
Четырехтактный рабочий цикл. На рис. 1 изображена
индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя, снятая
при работе его на максимальной мощности. Здесь по горизонтальной оси
отложен объем цилиндра V в см3 (или ход поршня), а по вертикальной оси -
давление газов в цилиндре р в кг/см. Изменение давления газов в цилиндре
при разных тактах цикла можно проследить по положению наиболее важных
точек на индикаторной диаграмме.
При такте впуска (линия 7-1) цилиндр наполняется горючей смесью. От
степени наполнения цилиндра зависит мощность двигателя. Коэффициентом
наполнения называют отношение веса горючей смеси, действительно
поступившей в цилиндр, к весу горючей смеси, которая могла бы заполнить
рабочий объем цилиндра при атмосферном давлении и температуре окружающей
среды 20°. Величина коэффициента наполнения при полном открытии дросселя
карбюратора и среднем числе оборотов коленчатого вала составляет
0,75-0,85; по мере прикрытия дросселя коэффициент наполнения уменьшается
и при малых оборотах холостого хода доходит до 0,2. Давление в цилиндре
при впуске (линия 7-1) ниже атмосферного (0,8-0,9 кг/см2), что
объясняется сопротивлением воздушного фильтра, карбюратора, впускного
трубопровода и клапанов. Температура смеси в конце впуска - 75-125°.
Рис. 1. Индикаторная диаграмма четырехтактного
карбюраторного двигателя: 1 -начало такта сжатия; 2 -момент зажигания
смеси; 3-конец такта сжатия; 4-точка максимального давления газов; 5
-начало открытия выпускного клапана; 6 -конец расширения газов; 7 -конец
такта выпуска; V - полный объем цилиндра; V -рабочий объем цилиндра; Vc
-объем камеры сгорания
Такт сжатия (линия 1-2-3). При сжатии рабочей смеси1 происходит
повышение температуры и давления; давление в конце такта сжатия (точка
3) тем больше, чем выше степень сжатия. При степени сжатия в
карбюраторных автомобильных двигателях 6- 8 давление в конце такта
сжатия равно 7-12 кг/см2, температура газов - 350-400°.
Такт <сгорание - расширение> (линия 3-4-5-6). На индикаторной диаграмме
линия сгорания (3-4) отклоняется от вертикали вправо, т. е. горение
заканчивается, когда поршень несколько отойдет от в. м. т.
Чем выше скорость горения (в допустимых пределах), тем больше мощность
двигателя. Скорость горения зависит от качества топлива, состава и
степени завихрения рабочей смеси и ее температуры, степени сжатия,
опережения зажигания и коэффициента остаточных газов. Коэффициентом
остаточных газов называют отношение веса остаточных газов к весу смеси,
поступившей в цилиндр; увеличение этого коэффициента понижает скорость
горения.
1 Рабочей смесью называют смесь, образующуюся в цилиндре двигателя при
смешивании поступающей в него при такте впуска горючей смеси с
остаточными газами (сгоревшими газами, оставшимися от предыдущего
цикла). в конце сгорания (точка 4) давление газов повышается до 30-40
кг/см\ а температура - до 2200-2500°.
Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырехтактного
дизельного двигателя: 1 - начало такта сжатия; 2 -момент спрыска
топлива; 3 -конец такта сжатия; 4- точка максимального давления газов; 5
-начало открытия выпускного клапана: 6 -конец расширения газов; 7 -конец
такта выпуска
Расширение начинается после достижения газами максимального давления
(точка 4)\ газы при этом оказывают давление на поршень и совершают
полезную работу. К концу расширения (точка 6) давление газов в цилиндре
уменьшается до 3-5 кг/Смг, а температура снижается до 1000-1200°.
Такт выпуска (линия 6-7). Для лучшей очистки цилиндра выпускной клапан
открывается задолго до н. м. т. (точка 5); процесс выпуска протекает при
давлении выше атмосферного, которое к концу такта снижается до 1,1 - ),2
кг/см2; температура к этому моменту уменьшается до 600-800°.
Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя показана на
рис. 2.
При такте впуска (линия 7-1) в цилиндр поступает воздух; в связи с
меньшим сопротивлением впускной системы (отсутствие карбюратора)
давление при впуске несколько выше (0,85-0,95 кг/см2), чем в
карбюраторном двигателе, а температура ниже (40-60°).
Такт сжатия (линия /-3). Так как степень сжатия в дизелях составляет
15-20, давление в конце сжатия (точка 3) поднимается до 30-50 кг/см2, а
температура воздуха-до 500-700°.
Такт <сгорание - расширение> (линия 3-4-5-6). Впрыск топлива
производится несколько раньше, чем поршень придет в в. м. т. (точка 2);
большая часть топлива сгорает при постоянном объеме (линия 3-4). Время,
отводимое в дизеле на образование горючей смеси, в 20-30 раз меньше, чем
в карбюраторном двигателе; поэтому для полного сгорания топлива
необходимо вводить большее количество воздуха.
Давление газов в конце сгорания (точка 4) достигает 50- 100 кг/см2,
температура - 1700-2000°. Давление к концу расширения (точка 6)
снижается до 3-4 кг/см1, а температура - до 800-900°.
Так как воздух в дизельных двигателях предварительно не подогревается и
часть тепла, образуемого топливом, расходуется на подогревание
подаваемого в цилиндр избыточного воздуха то температура при сгорании
расширении в дизелях ниже, чем в карбюраторных двигателях.
Рис. 3. Индикаторная диаграмма двухтактного
дизельного двигателя с прямоточной продувкой: 1 -начало такта сжатия; 2
-момент закрытия продувочных отверстий; 3-момент закрытия выпускных
клапанов; 4 -момент впрыска топлива; 5 -начало горения; б -точка
максимального давления газов; 7 -начало открытия выпускных клапанов;
8-момент открытия продувочных отверстий
Такт выпуска (линия 6-7). Выпуск начинается с опережением (точка 5);
после н. м. т. (точка 6') давление газов быстро снижается до 1,1-1,2 кг/смt
и до конца выпуска (точка 7) остается постоянным. Температура при
выпуске 600- 700°.
Двухтактный рабочий цикл. На рис. 3 приведена индикаторная диаграмма
двухтактного дизельного двигателя с прямоточной продувкой (ЯАЗ-206),
устанавливаемого на автомобилях ЯАЗ и автобусе ЗИЛ-127. Так как этот
двигатель имеет нагнетатель воздуха, то вся диаграмма располагается выше
линии атмосферного давления.
Первый такт. Когда поршень находится в н. м. т. (точка 1, давление в
цилиндре около 1,15 кг/см2, температура 90°; продувочные отверстия и
выпускные клапаны открыты), происходят продувка и наполнение цилиндра
воздухом. При движении поршня от н. м. т. к в. м. т. кромка днища поршня
перекрывает продувочные отверстия (точка 2; 46° после н. м. т.). В точке
3 (54° после н. м. т.) закрываются выпускные клапаны и начинается сжатие
воздуха. В конце такта в цилиндр, наполненный воздухом, сжатым до
давления 50 кг/см2 и нагретым до температуры 600-700°, впрыскивается под
давлением До 1400 кг/см- топливо (точка 4\ 19° до в. м. т. при
максимальной подаче).
Горение (линия 5-6) происходит почти при постоянном объеме; участок
горения при постоянном давлении незначителен. Давление в конце горения
(точка 6) достигает 80- 100 кг/см2, а температура - 1800°.
Второй такт. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т.; происходит расширение
газов. В конце расширения при давлении около 5-6 кг/см2 и температуре
800° (точка 7; 85° до н.м.т.) открываются выпускные клапаны, а затем и
продувочные отверстия (точка 8; 46° до н.м.т.); происходит выпуск
отработавших газов и продувка цилиндра воздухом.
Рис. 4. Принципиальная схема автомобильного
двигателя с форкамерно-факельным зажиганием: 1 -карбюратор основной
камеры сгорания; 2 -впускной клапан основной камеры; 3-впускной клапан
форкамеры; '4 - карбюратор форкамеры; 5 -свеча зажигания; 6 - форкамера;
7 - сопло; 8-основная камера сгорания
Двигатель имеет основную камеру сгорания 8 (рис. 4). и значительно
меньшего объема форкамеру 6. Питание каждой из камер осуществляется
раздельно - от карбюраторов 1 и 4. В форкамеру 6 через клапан 3
поступает очень богатая смесь, а в камеру сгорания 8 через клапан 2 -
очень' бедная смесь. Воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 8
происходит от мощного факела горячих продуктов сгорания, выбрасываемых
через сопло 7 из форкамеры, где запал смеси осуществляется обычной
свечой зажигания 5.
Форкамерно-факельное зажигание повышает мощность двигателя и снижает
расход топлива на 10- 15%. Двигатели с таким зажиганием будут
устанавливаться на автомобилях ГАЗ-52 и ГАЗ-56.
Индикаторная и эффективная мощности двигателя. Индикаторной мощностью Nj
называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя.
Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее
индикаторное давление р, т. е. такое условное, постоянное по величине
давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта
расширения, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за
весь цикл.
Это давление можно подсчитать по полезной площади индикаторной
диаграммы (на рис. 1 заштрихована). Для карбюраторных двигателей
величина р; составляет 8-12 кг/см2, а для дизелей -7-10 кг/см2.
Эффективной мощностью Ne называют мощность, получаемую на коленчатом
валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N на величину мощности
N механических потерь. Мощность Л/м затрачивается на трение в двигателе
(трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и
др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов
(газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и
топливного насосов, генератора и др.).
Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим
коэффициентом полезного действия двигателя; его величина при полностью
открытом дросселе и небольшом числе оборотов коленчатого вала составляет
0,8-0,9. При повышении числа оборотов мощность механических потерь
возрастает, поэтому механический к.п.д. уменьшается. Механический к.п.д.
при холостом ходе равен нулю, так как вся индикаторная мощность в это
время затрачивается на преодоление трения в двигателе и вращение
вспомогательных механизмов.
Для определения величины эффективной мощности двигателя можно
воспользоваться приведенными выше формулами для индикаторной мощности,
заменив в них среднее индикаторное давление со средним эффективным
давлением ре (Ре меньше р\ на величину среднего давления механических
потерь в двигателе). Если известен механический к.п.д. двигателя, то
эффективную мощность можно определить путем умножения индикаторной
мощности на этот коэффициент.
Эффективная мощность тем больше, чем больше крутящий момент и число
оборотов коленчатого вала (до некоторого предела). В свою очередь
крутящий момент зависит от литража двигателя (т. е. диаметра и числа
цилиндров, длины хода поршня) и среднего эффективного давления.
Величина среднего эффективного давления, а следовательно, и крутящего
момента двигателя, зависит от многих факторов, как-то:
а) коэффициентом наполнения (см. стр. 13), который повышается при
уменьшении сопротивления впускной и выпускной систем, снижении подогрева
горючей смеси и общем улучшении конструкции двигателя;
б) степени сжатия, так как при ее повышении увеличивается скорость
горения рабочей смеси, повышаются температура и давление газов в начале
такта сгорание - расширение, уменьшается количество тепла, уходящего с
отработавшими газами и уносимого охлаждающей водой; предельные значения
степени сжатия зависят от октанового числа бензина (см. стр. 60);
в) угла опережения зажигания, наивыгоднейшая величина которого зависит
от числа оборотов коленчатого вала, нагрузки двигателя, сорта топлива,
состава смеси;
г) потерь на трение и приведение в действие вспомогательных механизмов
двигателя.
Литровой мощностью называют наибольшую эффективную мощность, получаемую
с 1 л рабочего объема цилиндров двигателя. В современных карбюраторных
двигателях литровая мощность составляет 25-35 л.с/л, а в отдельных
случаях и выше, что достигается за счет форсирования двигателей, т. е.
повышения коэффициента наполнения, степени сжатия, числа оборотов
коленчатого вала, применения лучших форм камер сгорания,
верхнеклапанного газораспределения и др. ' .
Скоростная характеристика двигателя. Внешней скоростной характеристикой
двигателя называют кривые, показывающие изменение основных показателей
его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива) в зависимости
от числа оборотов коленчатого вала при полном открытии дросселя
карбюратора или максимальной подаче топлива насосом (у дизелей).
Кривые получают по результатам испытания двигателя при различных числах
оборотов, причем одновременно с замерами крутящего момента определяют
часовой расход топлива г (кг/час). По часовому расходу подсчитывают
удельный расход топлива gQ , т. е. расход на 1 л. с. мощности в час:
Рис. 5. Внешняя скоростная характеристика
двигателя ЯАЗ-М206Б: Мк -крутящий момент двигателя; -эффективная
мощность; -часовой расход топлива -удельный расход топлива;
n - число оборотов коленчатого вала
На рис. 5 изображена внешняя скоростная характеристика двигателя
ЯАЗ-М206Б, устанавливаемого на автомобиле ЯАЗ-214. Кривая мощности Л/е
по мере увеличения числа оборотов сначала круто поднимается, так как
повышаются коэффициент наполнения и крутящий момент; при превышении
некоторого числа оборотов (для двигателя Я A3-206 2000 об/мин) мощность
двигателя снижается, так как уменьшается наполнение' цилиндров и
возрастают механические потери.
Наибольший крутящий момент Мк получается при некотором, среднем числе
оборотов коленчатого вала (1400-1500 об/мин). Наиболее экономичный режим
работы двигателя определяется наименьшим удельным расходом топлива и
соответствует примерно числу оборотов коленчатого вала при наибольшем
значении крутящего момента двигателя. При понижении и повышении числа
оборотов коленчатого вала удельный расход топлива увеличивается.
Наименьший удельный расход у карбюраторных двигателей составляет 210-260
г/л. с. ч., у дизелей 160-200 г/л. с. ч.
при неполном открытии дросселя мощность карбюраторного двигателя будет
всегда ниже, а удельный расход топлива выше, чем при полном его
открытии. Это объясняется тем, что при дросселировании уменьшается
количество горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя,
увеличивается относительное содержание остаточных газов, замедляется
скорость сгорания, относительно возрастают механические потери. Тепловой
баланс двигателя. Тепловой баланс (табл. 6) поназывает, на что
расходуется тепло, выделяющееся при сгорании топлива в двигателе.
Чем больше процентное отношение тепла, преобразованного в полезную
работу на маховике двигателя, к теплу, выделяющемуся при сгорании
топлива, тем выше экономический или эффективный коэффициент полезного
действия. Он зависит от конструкции и режима работы двигателя,
регулировки приборов питания и зажигания и других приборов и механизмов.
Преимущества и недостатки дизельных двигателей. Преимущества дизельных
двигателей заключаются в следующем:
а) эффективный к.п.д. дизельных двигателей составляет 27- 35% против
20-24% для карбюраторных двигателей; в связи с этим удельный расход
топлива у дизелей на 25-35% ниже;
б) для дизельных двигателей используют более дешевые, чем бензин,
тяжелые сорта нефтяных топлив;
в) дизельное топливо менее опасно в пожарном отношении, чем бензин.
Однако в связи с более высокими степенями сжатия, высокими давлениями в
конце сжатия и в начале расширения в дизельных двигателях значительно
повышаются требования к прочности деталей кривошипно-шатунного механизма
и точности действия топливоподающей аппаратуры, что в свою очередь
вызывает увеличение веса дизельных двигателей сравнительно с
карбюраторными двигателями той же мощности и повышенные затраты металла
и труда при их изготовлении. Кроме того, дизельные двигатели более шумны
в работе и требуют применения высококачественных смазочных масел и
топлива абсолютной чистоты (предварительного отстоя не менее 8 суток).
Опытные образцы восьмицилиндровых V-образных карбюраторных двигателей
для грузовых автомобилей, выпущенные в 1959 г., имеют литраж 5,5 и 6 л и
соответственно эффективную мощность 138 и 150 л. е.; опытные образцы
четырехтактных дизельных двигателей, изготовленные Ярославским моторным
заводом, V-образные, шести- или восьмицилиндровые, мощностью
соответственно 180 и 240 л. с. (минимальный удельный расход топлива 165
г/л. с. ч.).