Лабораторная работа по агроинженерии, БелГАУ

Лабораторная работа №1 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Цель работы: изучить устройство и принцип действия основных механизмов автотракторных двигателей внутреннего сгорания. Оборудование: плакаты, макеты двигателей внутреннего сгорания Порядок выполнения работы: дать определение основных механизмов и систем двигателей внутреннего сгорания и зарисовать их схемы; изучить рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя; ответить на контрольные вопросы. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из корпусных деталей, кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем питания, охлаждения, смазки, зажигания и пуска, регулятора чистоты вращения. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения (ГРМ) предназначен для своевременного соединения надпоршневого объема с системой впуска свежего заряда и выпуска из цилиндра продуктов сгорания (отработавших газов) в определенные промежутки времени. Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндру (в карбюраторном и газовом двигателях) или наполнения цилиндра воздухом и подачи в него топлива под высоким давлением (в дизельных двигателях). Система охлаждения необходима для поддержания оптимального теплового режима двигателя. Вещество, отводящее от деталей двигателя избыток теплоты – теплоноситель может быть жидкостью или воздухом. Смазочная система предназначена для подвода смазочного материала (моторного масла) к поверхностям трения с целью их разделения, охлаждения, защиты от коррозии и вымывания продуктов изнашивания. Система зажигания служит для своевременного зажигания рабочей смеси электрической искрой в цилиндрах карбюраторного и газового двигателей. У дизеля в отличие от карбюраторного и газового двигателей нет системы зажигания и в системе питания вместо карбюратора или смесителя установлена топливная аппаратура (топливный насос высокого давления, топливопроводы высокого давления и форсунки). Система пуска – это комплекс взаимодействующих механизмов и систем, обеспечивающих устойчивое начало протекания рабочего цикла в цилиндрах двигателя. Основные определения, характеризующие принцип работы двигателя: Верхняя мертвая точка – положение поршня в цилиндре при котором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наибольшее. Нижняя мертвая точка – положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наименьшее. Ход поршня – расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками. Рабочий объем цилиндра – объем цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от верхней до нижней мертвой точки. Объем камеры сжатия – объем пространства над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке. Полный объем цилиндра – пространство над поршнем, когда он находится в нижней мертвой точке. Литраж двигателя – это сумма рабочих объемов всех его цилиндров, выраженная в литрах. Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Рабочий цикл двигателя – комплекс последовательных периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск) в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу. Такт – часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки к другой. Рабочий процесс двигателя Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя происходит в такой последовательности. Такт впуска. Поршень (рисунок 1.1, а) под действием коленчатого вала и шатуна перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. При этом открывается впускной клапан и в цилиндр над поршневым пространством поступает воздух. Давление в конце такта впуска составляет 0,08…0,09 МПа, температура воздуха 50…70 °С. Когда поршень дойдет до нижней мертвой точки, впускной клапан закроет канал, по которому поступал воздух. Такт сжатия. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает двигаться вверх (рисунок 1.1, б), впускной и выпускной клапаны закрыты. Воздух в цилиндре сжимается. В конце такта сжатия давление в цилиндре достигает 3,5…4 МПа, а температура 500…600 ºС, которая превышает температуру самовоспламенения топлива. При положении поршня, близком к верхней мертвой точки, в цилиндр через форсунку в распыленном состоянии под давлением, создаваемым насосом, впрыскивается дизельное топливо. При этом оно интенсивно смешивается с нагретым воздухом, образуя рабочую смесь. Поскольку температура сжатого воздуха выше температуры самовоспламенения топлива, рабочая смесь воспламеняется и сгорает. Давление сгорающих газов повышается до 5,5…9 МПа, а их температура до 1800…2100 °С. Такт расширения. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Расширяющиеся газы давят на поршень, и он движется от верхней к нижней мертвой точке (рисунок 1.1, в), поворачивая через шатун коленчатый вал. В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива. К концу такта давление газов уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура – до 600…900 ºС. Такт выпуска. Когда поршень подходит к нижней мертвой точке, открывается выпускной клапан (рисунок 1.1, г). Отработавшие газы под действием избыточного давления, а затем давления поршня устремляются через открытый клапан в атмосферу. При этом поршень за счет энергии маховика, накопленной при такте расширения, переместится к верхней мертвой точке и очистит полость цилиндра от отработавших газов. Давление газов в конце такта выпуска 0,11…0,12 МПа, температура 400…800 °С. В дальнейшем рабочий цикл повторяется. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя в целом аналогичен дизельному, однако в этом случае горючая смесь приготовляется в специальном устройстве (карбюраторе), а не в цилиндре. Воспламенение смеси происходит за счет искры, возникающей между электродами свечи. Двухтактные двигатели внутреннего сгорания так же, как и четырехтактные, могут быть дизельными и карбюраторными. У двухтактных двигателей отсутствует клапанный механизм газораспределения, но предусмотрена кривошипно-продувочная камера (рисунок 1.2). Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя следующий. Поршень движется от нижней к верхней мертвой точке (рисунок 1.2, а), перекрывая в начале хода продувочное окно, а затем выпускное. В цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере создается разрежение, и как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора начинает поступать свежая порция топливно-воздушной смеси. При подходе поршня к верхней мертвой точке (за 25…27° по углу поворота коленчатого вала) сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой свечи. Расширяющиеся при сгорании топлива газы заставляют поршень перемещаться к нижней мертвой точке (рисунок 1.2, б). Как только он перекроет впускное окно, в кривошипной камере начинается сжатие ранее поступившей сюда смеси (в конце процесса давление составляет 0,12…0,14 МПа). В конце хода поршня открывается выпускное окно (рисунок 1.2, в), а затем и продувочное. Через выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. К моменту открытия продувочного окна давление в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре, поэтому в цилиндр из кривошипной камеры поступает порция горючей смеси, выталкивая при этом остатки отработавших газов через выпускное окно, и заполняет цилиндр свежей смесью. Далее рабочий цикл осуществляется в такой же последовательности. Кривошипно-шатунный механизм Кривошипно-шатунный механизм состоит из неподвижных деталей цилиндров или блока цилиндров с головкой, картеров двигателя и маховика, подвижных деталей – поршней с поршневыми кольцами и пальцами, шатунов, коленчатого вала с подшипниками и маховика. На внешней поверхности поршня нарезаны кольцевые канавки под компрессионные (верхние) и маслосъемные (нижние) кольца. Поршневые кольца, обеспечивающие создание компрессии в цилиндре двигателя, называют компрессионными, а снимающие излишнее масло со стенок цилиндра – маслосъемными. Поршневые пальцы соединения поршня с шатуном. Их выполняют в виде гладких цилиндрических стержней. Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал преобразует усилия, воспринимаемые от поршней через шатуны, во вращающий момент и передает его механизмам трансмиссии и другим механизмам двигателя. Механизм газораспределения В четырехтактных двигателях применяют клапанные механизмы газораспределения, клапаны которых открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия. Клапанные механизмы бывают двух типов: с подвесными клапанами, расположенными в головке цилиндров, и боковыми — в блок-картере. В течение одного рабочего цикла четырехтактного двигателя впускной и выпускной клапаны открываются по одному разу. Для этого распределительный вал за цикл должен сделать один оборот, а коленчатый вал — два. Установлено, что для лучшего наполнения цилиндра двигателя горючей смесью или воздухом и более полной очистки его от отработавших газов клапаны необходимо открывать не в те мо¬менты, когда поршень находится в мертвых точках, а с некоторым опережением при открытии и запаздыванием при закрытии. Система питания Система питания карбюраторного двигателя работает следующим образом. Топливо, уровень которого определяется с помощью электрического датчика, из бака (рисунок 1.3) подается к фильтру грубой очистки. Пройдя очистку, оно поступает в диафрагменный топливный насос, откуда под давлением около 0,15 МПа нагнетается по трубопроводу через фильтр-отстойник тонкой очистки к карбюратору. В такте впуска воздух засасывается в карбюратор из атмосферы через воздухоочиститель, в котором он очищается. В карбюраторе топливо смешивается с очищенным воздухом и далее двигается по впускному трубопроводу в цилиндры двигателя. После сгорания рабочей смеси отработавшие газы через выпускную трубу и глушитель выбрасываются в атмосферу. Система питания дизеля подает в цилиндр воздух и топливо раздельно. Воздух засасывается через воздухозаборник (рисунок 1.4), в котором очищается от крупных частиц пыли. Очищенный от пыли воздух поступает в цилиндр. Топливо, заливаемое в бак, пройдя фильтр грубой очистки, поступает в подкачивающий насос. Под давлением, создаваемым насосом, приблизительно 0,2 МПа топливо проталкивается к фильтру тонкой очистки, где очищается от оставшихся приме¬сей. Затем по топливопроводу оно поступает в насос высокого давления, а оттуда под давлением 12,5…13 МПа — к форсункам. Форсунки обеспечивают впрыск в камеру сгорания топлива, распыленного до мелкодисперсного состояния, где оно, перемешиваясь с воздухом, самовоспламеняется. При этом количество по¬даваемого топлива регулируется всережимным центробежным регулятором и зависит от нагрузки двигателя. Больше нагрузка — больше подаваемого топлива в камеру сгорания, и наоборот Система смазки Для уменьшения трения в зону соприкосновения трущихся поверхностей вводят различные смазочные материалы (смазки). В двигателе для смазывания трущихся поверхностей предусмотрена смазочная система, т. е. совокупность механизмов и уст¬ройств, которые вместе с каналами и маслопроводами служат для подачи масла в необходимом количестве к трущимся поверхностям деталей, а также для его очистки и охлаждения. В зависимости от способов подвода масла различают следую¬щие смазочные системы: совместно с подачей топлива, разбрызгиванием, под давлением и комбинированную. Система охлаждения Во время сгорания топлива в камере сгорания температура га¬зов достигает 780…880 °С. Часть теплоты газов передается цилиндром головке цилиндров, поршням и другим деталям, которые вследствие этого сильно нагреваются. Такие детали необходимо охлаждать, в противном случае нарушается нормальная работа двигателя из-за ухудшения смазочных свойств масла, преждевре¬менного воспламенения рабочей смеси, детонации (в карбюра¬торных двигателях), уменьшения наполнения цилиндров горю¬чей смесью или воздухом и зазоров в подвижных соединениях. Однако охлаждение не должно быть чрезмерным, поскольку теряется полезная теплота и топливо плохо испаряется, трудно воспламеняется, медленно горит, в результате чего мощность двигателя снижается. Кроме того, частицы топлива, конденсиру¬ясь на стенках цилиндра, смывают с них масло и, стекая в кар¬тер, разжижают его, что ухудшает смазывание трущихся деталей двигателя. В двигателях применяют два способа охлаждения: жидкостный и воздушный. В первом случае теплота от нагретых дета¬лей отводится охлаждающей жидкостью, а от нее передается воз¬духу, во втором — непосредственно воздухом. Жидкостная система охлаждения в зависимости от способа циркуляции жидкости бывает термосифонная и принудительная. В системе воздушного охлаждения поток воздуха от мощной вентиляторной установки направляется к охлаждае¬мым деталям, которые имеют снаружи ребра — пластинки, уве¬личивающие поверхность теплоотдачи. Воздушная система охлаждения проста по устройству. Масса и габаритные размеры двигателя с воздушным охлаждением меньше, чем с водяным. Однако двигатель с воздушным охлаж¬дением работает с повышенным шумом и потерями мощности (до 8 %) на привод вентилятора. Система зажигания Сжатая рабочая смесь в карбюраторном и газовом двигателях воспламеняется от искрового разряда между электродами свечи зажигания. Напряжение при разряде должно достигать 18…20 кВ. Смесь в камере сгорания сгорает за несколько тысячных долей секунды, поэтому ее надо воспламенять до прихода поршня в в. м. т., т. е. с некоторым опережением. Система зажигания предназначена для трансформации тока низкого напряжения в ток высокого напряжения и своевременного распределения его между искровыми свечами зажигания цилиндров двигателя. Существуют два способа получения тока высокого напряжения для разряда в свече: от батарейной системы зажигания и от магнето. Система пуска Чтобы пустить двигатель внутреннего сгорания, вращение коленчатого вала необходимо довести до некоторой частоты, обеспечивающей смесеобразование, заполнение цилиндров свежим зарядом, сжатие и воспламенение смеси. При температуре воздуха выше 0°С эта частота вращения для карбюраторных двигателей должна быть не менее 40…50 мин-1, а для дизелей – не менее 150…250 мин-1. Пуск дизеля вспомогательным бензиновым двигателем используют на некоторых тракторных дизелях. Для облегчения пуска дизеля жидкостные системы охлаждения пускового двигателя и дизеля взаимосвязаны, благодаря чему обеспечивается прогрев дизеля. Пуск электрическим стартером – наиболее распространенный способ, пригодный для автомобильных, тракторных и пусковых двигателей. Схема системы пуска электрическим стартером показана на рисунке 1.5. Электрический стартер 3 питается от аккумуляторнорной батареи 1 током низкого напряжения. В период пуска шестерня 4 стартера входит в зацепление с зубчатым венцом 5 маховика двигателя. Передаточное число между шестерней стартера и венцом маховика подбирают с таким расчетом, чтобы сообщить коленчатому валу двигателя необходимую для пуска частоту вращения. Стартер включают на период пуска и выключают специальным механизмом сразу после того, как двигатель начнет работать. Система пуска дизелей с помощью двигателя надежна в любых температурных условиях, но обслуживание ее и операции при пуске сложнее, чем в случае пуска электрическим стартером. Стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока с механизмом привода и включателем. Стартеры выпускают с механическим и электромагнитным включением шестерни привода. Наиболее распространено электромагнитное включение. Источники электрической энергии Электрическая энергия на современных тракторах (автомобилях) применяется для пуска двигателей (стартером), звуковой и световой сигнализации, освещения пути, питания контрольно-измерительных приборов и других целей. Все устройства и приборы входящие в электрооборудование, делят на источники и потребители энергии. К источникам тока на тракторе (автомобиле) относят генератор и аккумуляторную батарею, потребителям – стартер, приборы сигнализации, освещения и контрольно-измерительные. Аккумуляторная батарея предназначена для питания потребителей электроэнергии при неработающем двигателе и при малой частоте вращения коленчатого вала, а также для питания стартера при пуске двигателя. При работающем двигателе она потребляет избыточную энергию генератора и, заряжаясь, накапливает ее. На тракторах используют свинцово-кислотные аккумуляторы стартерного типа. Генератор предназначен для преобразования механической энергии в электрическую, которая необходима для питания потребителей при работе двигателей на средних и больших частотах вращения и зарядки аккумулятора. На всех современных тракторах устанавливают генераторы переменного тока, который по устройству проще, чем генераторы постоянного тока, надежней в эксплуатации и имеют меньшие габаритные размеры. Генератор приводится в действие с помощью ремня, надетого на шкив вала двигателя и шкив генератора. Контрольные вопросы: 1. Как классифицируют двигатели внутреннего сгорания тракторов и автомобилей? 2. Назовите основные механизмы и системы двигателей внутренне¬го сгорания. 3. Перечислите отличительные особенности рабочего процесса четырех- и двухтактного двигателей. 4. В чем заключаются отличительные особенности рабочего процесса дизельного и карбюраторного двигателей? 5. Перечислите ос¬новные преимущества дизельного двигателя по сравнению с карбюраторным. 6. Для каких целей предназначен кривошипно-шатунный механизм? Перечислите основные детали механизма. 7. Для каких целей предназначен механизм газорасп¬ределения? Перечислите основные детали механизма. 8. В чем заключаются отли¬чительные особенности системы питания дизельного и карбюраторного двигате¬лей? 9. Из каких основных частей состоит система охлаждения двигателя? 10. Из каких основных частей состоит батарейная система зажигания?