Пособие для водителей катеров, яхт, лодок, судов,
водного транспорта
22.05.2015 22:10 дата обновления страницы
Основы устройства и работы катерных двигателей
водных судов
Дата создания сайта:
16/04/2007
Принцип работы четырехтактного двигателя
внутреннего сгорания.
Четырехтактный двигатель (рис. 39,4) имеет следующие механизмы и
системы: кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения,
систему смазки, систему охлаждения, систему питания и двигатели легкого
топлива, систему зажигания.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное
(возвратно-поступательное) движение поршня во вращательное движение
коленчатого вала. В кривошипно-шатунный механизм входят следующие
детали: цилиндр с головкой, поршень с поршневыми кольцами, поршневой
палец, шатун, коленчатый вал, картер двигателя, маховик.
Механизм газораспределения служит для впуска в камеру цилиндра горючей
смеси и выпуска из нее отработавших газов. В распределительный механизм
входят два клапана, расположенных в верхней части цилиндра, направляющая
втулка клапана, пружина клапана, упорная шайба, распределительный вал с
шестеренчатым или цепным приводом, детали передачи от распределительного
вала к клапанам.
Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся деталям двигателя,
чем уменьшает их износ и силу трения, а также охлаждает трущиеся
поверхности деталей и выносит продукты износа. В систему смазки входят
следующие детали: масляный резервуар, масляный насос, масляные фильтры
тонкой и грубой очистки, маслоохладители, маслопроводы и редукционные
клапаны.
Сумма всех рабочих объемов цилиндров двигателя есть рабочий объем, или
литраж, двигателя.
Система охлаждения отнимает излишнее тепло от стенок Цилиндра и поршня,
сильно нагревающихся при работе двигателя.
Рис. 39. А - Схема одноцилиндрового
четырехтактного двигателя: 1-Шестерни распределения; 2-
Распределительный вал; 3-Толкатели; 4 - Карбюратор; 5-Впускная труба; 6-
Выпускная труба; 7-Впускной клапан; в -Выпускной клапан; 9-Запальная
свеча; 10- Цилиндр; II-Головка цилиндра; 12- Поршень; 13- Поршневом
палец; 14-Шатун; 15- Водяной насос; 16- Верхняя часть картера;
17-Маховик; 18-Коленчатый вал; 19-Маслопровод; 20- Нижняя половина
картера (поддон); 21-Масляный насос;
Рис. 39. Б - рабочий процесс 4-тактного
двигателя
Система питания приготовляет рабочую смесь одного и того же состава
на всех режимах работы двигателя. Система зажигания своевременно
воспламеняет рабочую смесь в цилиндре при помощи электрической искры.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя (рис. 39,Б) слагается из
последовательно повторяющихся процессов. В замкнутое пространство камеры
цилиндра при движении поршня вниз засасывается рабочая смесь, состоящая
из паров бензина и воздуха,- 1-й такт. При движении поршня вверх смесь
уплотняется (сжимается)-2-й такт, далее смесь воспламеняется и сгорает;
образуется высокая температура и большое давление, под влиянием которого
поршень движется вниз и через шатун вращает коленчатый вал - 3-й такт.
Оставшиеся в цилиндре отработавшие газы при последующем движении поршня
снизу вверх выталкиваются из камеры цилиндра в атмосферу - 4-й такт.
Затем весь процесс многократно повторяется, обеспечивая непрерывную
работу двигателя.
Рис. 40. Основные положения поршня (а) и
определение объемов цилиндра (б)
Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ),
крайнее нижнее положение поршня - нижней мертвой точкой (НМТ). "Моментом
мертвой точки" называется такое положение поршня, при котором шатун и
колено вала вытянуты по одной прямой линии (рис. 40,а). Расстояние от
ВМТ до НМТ принято называть ходом поршня. Процесс, происходящий в
цилиндре за один ход поршня, называется тактом. При нахождении поршня в
ВМТ объем становится минимальным и называется объемом камеры сжатия.
Объем, описываемый поршнем во время его хода, называется рабочим объемом
цилиндра (рис. 40,6). Сумма рабочего объема цилиндра и объем камеры
сжатия есть полный объем цилиндра.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия есть степень
сжатия (рис. 40,6)*. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается
засосанная поршнем в цилиндр рабочая смесь. Повышение степени сжатия
повышает мощность и приводит к более экономичной работе двигателя. В
карбюраторных двигателях степень сжатия рабочей смеси колеблется в
пределах от 5,0 до 9,0.
Во время такта впуска камера цилиндра заполняется горючей смесью (см.
рис. 39,5 - /). Поршень движется от ВМТ к НМТ; благодаря увеличению
объема над поршнем создается разрежение; в это время кулачок
распределительного вала поднимает впускной клапан, соединяя камеру
цилиндра через впускной трубопровод с карбюратором. Под влиянием
разрежения горючая смесь начинает поступать в цилиндр до момента
закрытия впускного клапана. Поступившая в цилиндр горючая смесь
смешивается в цилиндре с остатками отработавших газов, оставшихся от
предыдущего цикла; получившаяся смесь называется рабочей смесью. Степень
наполнения цилиндра определяется коэффициентом наполнения, который
представляет собой отношение веса фактически засосанной в цилиндр смеси
к весу смеси в объеме, равном рабочему объему цилиндра. Для современных
бескомпрессорных двигателей коэффициент наполнения колеблется от 0,75 до
0,85 из-за наличия сопротивления в трубопроводах, ограниченного диаметра
впускных отверстий и других причин. Давление в конце такта впуска равно
примерно 0,7-0,8 кг/см2. Температура рабочей смеси в цилиндре колеблется
от 90 до 130°.
Во время такта сжатия поршень идет от НМТ к ВМТ, т. е. движется вверх
(рис. 39 5-11). Оба клапана закрыты, объем под
поршнем уменьшается, рабочая смесь сжимается. Чем больше степень сжатия,
тем сильнее сжимается рабочая смесь и тем выше давление газов на поршень
при сгорании. Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к
детонационному самовоспламенению рабочей смеси и нарушению протекания
нормального ее сгорания в цилиндре двигателя; это приводит к резкому
повышению давления газов в цилиндре и стукам двигателя, а
несвоевременное ее воспламенение - к снижению мощности и перегреву
двигателя. При высоких степенях сжатия в двигателях применяется топливо,
обладающее хорошими антидетонационными свойствами (с большим октановым
числом). Давление смеси в конце такта сжатия достигает 7-9 кг/см'2, а
температура - около 300°.
При рабочем ходе (рис. 39,Б-III) поршень под
влиянием давления, развившегося в цилиндре при сгорании рабочей смеси,
движется от ВМТ к НМТ. В конце такта сжатия, когда поршень находится в
ВМТ, в цилиндр на свечу подается высокое напряжение, между ее контактами
проскакивает искра, поджигающая рабочую смесь. Оба клапана при этом
такте закрыты. Смесь сгорает очень быстро, выделяя большое количество
тепла, что приводит к сильному расширению газов и появлению высокого
давления в цилиндре порядка 30-40 кг/см2. Затем поршень с большой силой
перемещается к НМТ и через шатун вращает коленчатый вал.
Температура газов в цилиндре в начале рабочего хода равна 1800-2000°. В
конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 3-4 кг/см1'2, а
температура снижается до 1100- 800°.
Такт выпуска (рис. 39,Б-IV) предназначен для очищения камеры цилиндра от
отработавших газов. Очистка цилиндра происходит за счет энергии,
полученной маховиком при такте рабочего хода. Поршень двигается от НМТ к
ВМТ, кулачок распределительного вала в этот момент открывает выпускной
клапан, и отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Пол: ностью
удалить из цилиндра отработавшие газы невозможно. Давление при такте
выпуска в цилиндре колеблется от 1Д до 1,3 кг/см2, температура газов
равна 700-800°.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же четырех тактов,
что и у карбюраторного двигателя, т. е. из впуска, сжатия, рабочего хода
и выпуска. Рабочий процесс дизеля показан на рис. 41.
При такте впуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Впуск: ной клапан
открыт, и в цилиндр засасывается чистый воздух. Процесс в дизеле
отличается от процесса в карбюраторном двигателе, где во время такта
впуска в цилиндр засасывается готовая горючая смесь.
При такте сжатия поршень движется от НМТ к ВМТ и оба клапана закрыты.
Воздух в цилиндре сжимается в 14-18 раз, т. е. степень сжатия составляет
в дизеле 14-18. Давление в цилиндре в конце такта сжатия возрастает до
34-38 кг/см2, а температура сжатого воздуха достигает 600-700° С.
Высокая температура воздуха в конце такта сжатия допустима, так как
сжимается только воздух и опасность возникновения детонационного
сгорания смеси отсутствует. Высокая степень сжатия дизелей обеспечивает
их главное преимущество, заключающееся в высокой экономичности и
повышении КПД до 35-40% использования тепловой энергии топлива.
Рис. 41. Рабочий цикл четырехтактного дизеля:
1-форсунка; 2-топливный насос
В конце такта сжатия, когда поршень находится около ВМТ, в цилиндр
дизеля из форсунки под очень большим давлением вспрыскивается топливо,
мелко распыленные частицы которого, соприкасаясь с воздухом, нагретым до
600-700°, быстро сгорают, выделяя при этом большое количество тепла.
Температура сгорания смеси около 1800-2000°, давление порядка 50- 60
кг/см2 и выше. Под влиянием давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Оба
клапана при этом закрыты.
При такте выпуска поршень движется от НМТ к ВМТ, выпускной клапан
открыт; своим движением поршень через открытое отверстие выпуска
выталкивает в атмосферу отработавшие газы из цилиндра.
В четырехтактном двигателе впуск, сжатие и выпуск являются
подготовительными тактами к совершению рабочего процесса. Для совершения
этих тактов к коленчатому валу надо приложить вращающее усилие двигателя
извне. Для выполнения подготовительных тактов на коленчатом валу
двигателя устанавливается маховик (рис. 39,а, 17). Маховик представляет
собой тяжелый чугунный диск, который, имея значительный вес, накапливает
энергию, достаточную для того, чтобы вращать коленчатый вал двигателя и
перемещать поршень в цилиндре двигателя во время подготовительных
тактов, т. е. за полтора оборота во время рабочего цикла. Наличие
маховика на коленчатом валу двигателя приводит к равномерному вращению
коленчатого вала и способствует переводу поршней через положения мертвых
точек. В одноцилиндровом двигателе в момент вспышки рабочей смеси в
цилиндре на картер двигателя передаются сильные толчки и коленчатый вал,
несмотря на наличие маховика, вращается неравномерно. Чтобы избежать
этого и получить равномерную работу двигателя, его делают
многоцилиндровым.