Принцип устройства одноцилиндрового двигателя

Рассмотрим принцип работы одноцилиндрового двигателя. Основой любого ДВС является корпус, называемый блоком. В блоке размещаются цилиндр и коленчатый вал.

Внутри цилиндра 2 (рис. 2.3) расположен поршень 3, соединенный через шатун 6 с коленчатым валом 7. При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз, его прямолинейное движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. На конце вала закреплен маховик 8, необходимый для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 13 и выпускной клапаны, закрывающие каналы подачи топлива и выпуска отработанных газов.

Рис. 2.4. Схема работы одноцилиндрового бензинового двигателя внутреннего сгорания: 1 – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – поршневые кольца; 5 – поршневой палец; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал; 8 – маховик; 9 – кривошип; 10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг; 13 – впускной клапан; 14 – свеча зажигания

Перемещение поршня ограничено 2 крайними положениями: верхней мертвой точкой (ВМТ), когда кривошип занимает верхнее, и нижней мертвой точкой (НМТ), когда кривошип находится в нижнем положении. Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается инерцией маховика 8.

Основные параметры двигателя:

Ходом поршня S называется расстояние, проходимое поршнем между мертвыми точками.

Объем, освобождаемый поршнем при движении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра, о бозначается Vр.

Объем, образующийся над поршнем, находящимся в ВМТ, называется объемом камеры сгорания, обозначается Vс.

Объем пространства на поршнем, находящимся в НМТ, называется полным объемом цилиндра, обозначается Vп:

Vп = Vр + Vс,

Vп измеряется в литрах и называется литражом двигателя.

Рис. 2.5. Основные параметры двигателя

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания:

У карбюраторных двигателей степень сжатия – 6…10 У дизельных - 14…30

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу двигатель совершает в единицу времени. Мощность измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с), при этом одна лошадиная сила приблизительно равна 0,74 кВт.

Мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя при сгорании топлива, называется индикаторной (расчетной),снимаемая с коленчатого вала – эффективной. Эффективная мощность на 15-25% меньше расчетной, из-за потерь на трение в двигателе.

Такт – процесс, происходящий в цилиндре двигателя за 1 ход поршня.

Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, называют рабочим циклом.

Рабочий цикл карбюраторного ДВС:

а) б) в) г)

Рис. 2.6. Рабочий цикл карбюраторного двигателя

Первый такт, впуск (рис. 2.6, а). Поршень идет вниз, клапан впуска открывается, и топливная смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается. В конце такта температура 80-120° при низком давлении.

Второй такт, сжатие (рис. 2.6, б). Поршень идет вверх, оба клапана закрыты, топливная смесь сжимается. Когда поршень находится в нескольких миллиметрах от верхней мертвой точки, свеча воспламеняет топливо, сжатое поршнем. Температура 300-400°, давление резко возрастает.

Третий такт, рабочий ход (расширение) (рис. 2.6, в).После воспламенения горючего оно сгорает, горячие газы быстро расширяются, толкая поршень вниз, который поворачивает коленчатый вал. Оба клапаны при этом закрыты. Температура повышается до 2000 - 2500°

Четвертый такт, выпуск (рис. 2.6, г). По инерции коленвал продолжает свое вращение, поршень идет наверх. Одновременно открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят в выхлопную трубу. При достижении поршнем верхней мертвой точки выпускной клапан закрывается.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Первый такт – впуск, служит для наполнения цилиндра двигателя только воздухом. При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке происходит всасывание воздуха через открытый впускной клапан.

Второй такт – сжатие. В конце такта сжатия в камеру сгорания через форсунку под очень высоким давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. Оба клапана закрыты.

Третий такт – рабочий ход. При сгорании дизельного топлива расширяющиеся газы создают усилие, которое перемещает поршень к нижней мертвой точке и через шатун проворачивает коленчатый вал. Оба клапана закрыты.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов, служит для освобождения цилиндра от отработавших газов. Поршень от нижней мертвой точки поднимается к верхней мертвой точке и, через открытый выпускной клапан, выталкивает отработавшие газы.

При последующем движении вниз поршень засасывает свежую порцию воздуха, происходит такт впуска и рабочий цикл повторяется.

Преимущества дизельных двигателей по сравнению с карбюраторными:

• Большая экономичность (25-30%) благодаря большей степени сжатия (и более дешевому топливу)
• Менее пожароопасны
• Не имеют системы зажигания
• Топливо содержит меньше вредных веществ, т.е. двигатель экологичнее
• Дизели развивают больший крутящий момент при меньшей частоте вращения коленчатого вала

Недостатки дизельных двигателей:

• Затрудненный по сравнению с карбюраторными двигателями пуск, особенно в зимнее время
• Расход металла на единицу мощности на 30% больше, чем у карбюраторных (более металлоемкие)
• Более шумная и жесткая работа
• Технологически и технически более сложные процессы изготовления и обслуживания

В инжекторных двигателях через впускной клапан всасывается воздух (а не горючая смесь), а топливо подается в конце 2 такта (сжатие), свеча воспламеняет его, далее рабочий ход, выпуск как у карбюраторного двигателя. Отличие от карбюраторных – всасывается только воздух, топливо – через форсунку. Отличие от дизельных – воспламенение от свечи.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактных двигателях один рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала. Другая их особенность — отсутствие клапанов (впускных и выпускных) с механическим приводом. Их роль выполняет сам поршень, открывая и закрывая специальные окна и каналы на зеркале цилиндра. Объем картера под поршнем также используется при газообмене.

Цикл карбюраторного двигателя (рис.2.7.): 1. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки к верхней, перекрывая сначала продувочный 1, а затем выпускной 2 каналы. После закрытия поршнем выпускного канала в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 6, вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочный канал, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускной канал и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает давление в кривошипной камере (сжимая топливовоздушную смесь в ней) и закрывает впускной канал, не давая, таким образом, горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.

Цикл дизельного двигателя: Цикл аналогичен циклу карбюраторного двигателя, за исключения того, что в впускной канал подается не горючая смесь, а воздух. Топливо, как и у четырехтактного двигателя, подается в камеру сгорания через форсунку под очень высоким давлением. Топливо самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха.

Рис. 2.7. Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя: а — впуск в кривошипную камеру, сжатие в цилиндре; б — воспламенение (до ВМТ) и последующее сгорание в цилиндре; в — выпуск отработавших газов из цилиндра и продувка горючей смесью из картера; 1 — продувочный канал; 2 — выпускной канал; 3 — свеча зажигания;
4 — лепестковый клапан во впускном канале; 5 — впускной канал; 6 — кривошипная камера;

Преимущества двухтактных двигателей перед четырехтактными:

1. Более равномерная работа, т.к. рабочий цикл происходит за 1 оборот коленвала. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако, меньшим КПД.

2. отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения, как следствие - проще и дешевле в изготовлении

Недостатки двухтактных двигателей:

1. По экономичности уступают четырехтактным двигателям из-за менее совершенной очистки цилиндра от отработанных газов (более низкий КПД)

2. Больший расход топлива. Продувка осуществляется горючей смесью, что приводит к потере до 30% смеси

3. Требуют более интенсивного охлаждения

4. Добавление масла (до 4%) в бензин для смазки деталей двигателя приводит к увеличению отложения нагара на деталях двигателя

5. Неудовлетворительная продувка на режимах малых оборотов из-за низкого давления в кривошипной камере приводит к пропускам воспламенения рабочей смеси

6. Наличие впускных и выпускных каналов уменьшает продолжительность рабочего хода

Поэтому двухтактные двигатели в настоящее время применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизованных инструментах

ЯМЗ с 1947 по 1993 г. выпускал 2-хтактные рядные дизельные двигатели ЯМЗ-204 (4-х цилиндровые, мощностью 112 л.с.) и ЯМЗ-206 (6-цилиндровые, мощностью 165 л.с.). За 46 лет ЯМЗ выпустил около 1 миллиона таких двигателей. 4 цилиндровые устанавливались на автомобили грузоподъемностью 7 т, а 6 цилиндровые – на автомобили грузоподъемностью 12 т собственного производства. С переходом завода на выпуск 4-х тактных двигателей в 60-х годах 2-х тактные двигатели стали применяться в основном на стационарных установках (дизель – генераторы и др.).