148440 (Двигатели внутреннего сгорания)

Размещено на http://www.allbest.ru

Общие положения

Основным топливом для автомобильных двигателей внутреннего сгорания служит бензин, газ и дизельное топливо. Автомобильный двигатель может работать и на других видах топлив, на первый взгляд достаточно экзотичных, например, на растительном масле, спирте, водороде, сырой нефти, мазуте и даже воде. Двигатель также сможет работать на дровах или угле. Правда такой двигатель уже не будет двигателем внутреннего сгорания. Конструкция двигателя и его систем во многом зависит от того, на какой вид топлива он рассчитан.

Бензин и газ относятся к лёгким топливам, воспламенение которых осуществляется принудительно от постороннего источника тепла (чаще от электрического разряда).

Двигатели, которые работают на лёгком топливе, относятся к двигателям с внешним смесеобразованием. Топливно-воздушная смесь в таких двигателях образуется вне цилиндров, например в карбюраторе, во впускном трубопроводе или в специальной смесительной камере, а в цилиндры поступает уже в приготовленном виде при такте впуска.

Дизельное топливо принадлежит к тяжёлым видам топлив, которые воспламеняются от высокой температуры (более 700°С). Такая температура достигается в камере сгорания цилиндра дизельного двигателя в конце такта сжатия при повышении давления до 30 атмосфер и более. Поэтому часто говорят, что воспламенение топливной смеси дизельных двигателей происходит «от сжатия».

Двигатели, которые работают на «тяжёлых» топливах, относятся к двигателям с внутренним смесеобразованием. Топливно-воздушная смесь готовится непосредственно в цилиндрах таких двигателей. Воздух и топливо в цилиндры подаются раздельно.

Рабочий цикл и тех и других двигателей состоит из четырёх тактов и совершается за два оборота коленчатого вала, но процессы, протекающие в их цилиндрах, несколько отличаются (табл. 1).

Сжатие

Сжатие топливно-воздушной смеси до объёма камеры сгорания. В конце такта сжатия смесь воспламеняется от электрической искры, образуемой между электродами свечи зажигания

Сжатие воздуха до объёма камеры сгорания. В конце такта сжатия в цилиндр через форсунку подаётся мелкораспылённое дизельное топливо. Идёт процесс смесеобразования. Полученная смесь самовоспламеняется от сжатия.

360 – 540

Рабочий ход

Давление газов, образованное за счёт их расширения при нагревании, двигает поршень двигателя вниз и вращает коленчатый вал

То же

540 – 720

Выпуск

Движущийся вверх поршень через открытые выпускные клапаны и систему выпуска двигателя выдавливает отработавшие газы в атмосферу

То же

Автомобильные топлива

Бензин

Бензин является продуктом перегонки нефти. Существует два основных способа получения топлив из нефти.

Первый и самый простой – прямая перегонка, при которой нефть нагревают в специальных установках - трубчатых печах. Пары нефти, образовавшиеся при её нагревании, направляются в разделитель установки (ректификационную колонну), где охлаждаются и конденсируются. В верхней части колонны конденсируются и собираются лёгкие фракции нефти (фракции бензина), выкипающие при температуре до 205° Цельсия, ниже – керосин, ещё ниже – фракции дизельного топлива, газойлевых и соляровых масел. Остаток, получаемый от прямой перегонки нефти, называется мазутом. Из секций колонны фракции отводятся в топливосборники.

Второй способ получения бензина – химический. В настоящее время широко применяется термический, каталитический и гидрокрекинг. Сырьём для получения бензина химическим способом может являться не только нефть, но и её тяжёлые фракции, такие как мазут или соляровые фракции. После очистки бензина от вредных примесей он готов к использованию в качестве топлива для двигателей.

Свойства бензинов. Основным свойством бензинов является 1) испаряемость и 2) детонационная стойкость.

Испаряемость бензина определяет его способность переходить из жидкого в парообразное состояние. Испаряемость топлива влияет на процесс образования и горения топливовоздушной смеси. Так как в данных процессах участвуют только газообразные фракции топлива, не испарившийся бензин отрицательно сказывается на работе двигателя, а именно: 1) стекая по цилиндрам, смывает с их стенок масло, что способствует повышенному износу деталей двигателя; 2) препятствует нормальному процессу сгорания топливовоздушной смеси. Из-за медленного горения смеси давление в цилиндре падает, двигатель не развивает номинальной мощности, в отработавших газах увеличивается содержание вредных веществ (в первую очередь – оксида углерода). Не полностью сгоревшее топливо в виде нагара откладывается на деталях (поршнях, клапанах) и содействует появлению ряда неисправностей двигателя.

Испаряемость бензина определяют в лабораторных условиях по его количеству, выкипающему при нагреве до определённых температур. 10% бензина должно выкипать при нагреве до 80°С, что необходимо для надёжного запуска холодного двигателя; 50% бензина должно выкипать при нагреве до 145°С, что необходимо для быстрого прогрева двигателя и его устойчивой работы на этом режиме. Полностью бензин должен испаряться при нагреве до 205°С.

Бензины, имеющие большее количество тяжёлых (смоляных) фракций не выкипающих при температуре до 205°С, при непродолжительном хранении приобретают тёмно-коричневую окраску. В процессе эксплуатации двигателя на таком топливе, содержащиеся в нём смолы осаживаются на поршневых кольцах, поршнях, клапанах, стенках бензопроводов и топливных баков, в каналах и жиклёрах карбюратора, топливных форсунках.

Бензины, имеющие избыток лёгких фракций, имеют тенденцию к закипанию при низких температурах. Во избежание образования паровых пробок в топливной системе, температура кипения бензина не должна быть ниже 30°С.

По фракционному составу бензины выпускаются двух видов (сортов) – зимний и летний. «Зимние» бензины обладают лучшей испаряемостью.

Детонационная стойкость бензина оценивается по его октановому числу. Чтобы определить степень склонности топлива к детонации, его сравнивают с эталонными топливами, октановое число которых известно заранее. Такие топлива состоят из смеси изооктана и нормального гептана. По своим детонационным свойствам эти вещества прямо противоположны. Изооктан не детонирует и его октановое число условно равняется 100 единицам. Гептан является сильным детонатором и его октановое число принято равным «нулю». Если, при испытании бензина на специальной установке, имеющей одноцилиндровый двигатель, степень сжатия которого может меняться в необходимых пределах, оказалось, что бензин обладает такими же детонационными свойствами, как смесь, состоящая из 91% изооктана и 9% гептана, то октановое число бензина принимается равным 91. Октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость лучшую, чем у изооктана, оценивают по условной шкале октановых чисел. При этом за эталон принимается чистый изооктан, содержащий 1,59 мг/л тетраэтилсвинца. Октановое число данной смеси условно равно 120. Чем больше октановое число бензина, тем выше его детонационная стойкость.

В настоящее время при эксплуатации автомобильных двигателей применяют бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98 и некоторые другие. Буква «А» обозначает, что бензин автомобильный, буква «И», что октановое число определялось исследовательским методом (ещё один из способов определения октанового числа, кроме описанного - «моторного»), цифра указывает на величину октанового числа. Конструкция двигателя рассчитана на применение бензина с определённым октановым числом. Чем выше степень сжатия двигателя, тем более высокооктановое топливо он потребляет. Применение бензина с октановым числом ниже предусмотренного для данной конструкции двигателя приводит к работе двигателя с детонацией и, в дальнейшем, к выходу его из строя.

Детонация – ненормально быстрое сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя, при котором скорость распространения фронта пламени возрастает с 20 – 40 м/сек. до 2000 м/сек. и более. Детонационное горение приводит к чрезмерному и скачкообразному росту давления в цилиндре. Детали двигателя при этом испытывают ударные нагрузки и преждевременно изнашиваются. Даже при непродолжительной работе возможны поломки перемычек поршня между кольцами, поломки самих колец и других деталей. Характерным признаком детонации являются звуки, прослушиваемые в верхней части блока цилиндров в «зоне» ВМТ, получившие название «детонационных стуков». Причина их появления – вибрация стенок цилиндров под воздействием ударной волны и стуки деталей в зазорах. Одновременно с этим может наблюдаться существенное падение мощности двигателя, перегрев двигателя и искристый выпуск из глушителя. Причин появления детонации несколько:

1). Применение топлива с низким октановым числом;

2). Чрезмерно раннее зажигание;

3). Обеднённая топливовоздушная смесь;

4). Перегрузка двигателя по оборотам или крутящему моменту;

5). Повышенное отложение нагара на поршнях;

6). Совокупность любых из перечисленных причин.

Также, двигатель может иметь склонность к детонации в силу своих конструктивных особенностей.

Для повышения детонационной стойкости бензинов в них добавляют высокооктановые железосодержащие или кислородосодержащие соединения (спирты и эфиры). До недавнего времени в качестве антидетонационной присадки широко применялась этиловая жидкость, состоящая из смеси тетраэтилсвинца с бромистыми и хлористыми соединениями. В настоящее время применение этилированных бензинов запрещено из-за их токсичности.

Газообразное топливо

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания наибольшее применение получили природные газы и газы, сопутствующие добыче и переработке нефти. Основным компонентом природных газов является метан. Нефтяные попутные газы состоят главным образом из пропана и бутана. Газообразное топливо используется как в двигателях с принудительным зажиганием, так и в дизельных двигателях при газожидкостном цикле или при непосредственном впрыскивании сжиженного газа в цилиндр и воспламенением от сжатия.

Газ обладает рядом преимуществ перед жидкими видами топлив.

1) Так как в процессе образования топливовоздушной смеси оба компонента находятся в одинаковом агрегатном состоянии, смесь получается более однородной. Хорошо приготовленная смесь сгорает быстро и полностью, мощность двигателя и крутящий момент увеличивается, содержание вредных веществ в отработавших газах уменьшается в 3 – 5 раз, сводится к минимуму процесс отложения нагара на деталях ЦПГ и клапанах.

2) Газообразные топлива обладают высокой детонационной стойкостью. Октановое число метана и пропанобутановых смесей лежит в пределах 80 – 110 единиц.

Для оценки стойкости газообразных топлив к детонации используется «метановая шкала», в которой за 100 единиц принята детонационная стойкость метана, а за «ноль» - детонационная стойкость водорода.

3) Моторное масло в двигателе, работающем на газе, не подвергается разжижению жидким топливом, что способствует увеличению его срока службы в 2 – 3 раза. Ресурс двигателя при этом увеличивается в 1,5 – 2 раза.

На автотранспортных средствах запас газообразного топлива хранят в сжатом или сжиженном состоянии.

Газообмен и фазы газораспределения

Фазами газораспределения называют моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мёртвых точек. Фазы определяют степень наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от отработавших газов. Наполнение цилиндров характеризуется коэффициентом наполнения, а степень очистки - коэффициентом остаточных газов. Численные значения углов опережения открытия, запаздывания закрытия и перекрытия клапанов задаются конструктивно и у современных двигателей лежат в широких пределах. Так как условия газообмена для различных условий работы неодинаковы, желательно иметь возможность управлять углами открытия/закрытия клапанов. В идеале, эти углы должны быть тем больше, чем выше обороты коленчатого вала. Увеличение времени открытия клапанов компенсирует сокращение времени впуска при высоких скоростях движения поршня и обеспечивает должную «зарядку» и очистку цилиндров.

Наполняемость цилиндров горючей смесью на различных режимах работы двигателя управляется специальными устройствами, изменяющими высоту подъёма клапанов и момент их открытия. Равномерность распределения смеси по цилиндрам обеспечивается устройствами, изменяющими длину впускных трубопроводов.

При сбитых метках фаз газораспределения наполняемость и очистка цилиндров ухудшается, что даже при нормальном функционировании системы питания приводит к ухудшению показателей двигателя.

Карбюраторные системы питания. Общее устройство и особенности работы

Карбюра́тор — устройство в системе питания карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, предназначенное для смешивания (карбюрации) бензина и воздуха, создания горючей смеси и регулирования её расхода.

В систему питания карбюраторного двигателя входят 1) топливный бак с системой улавливания паров бензина; 2) топливный насос; 3) топливный фильтр; 4) топливоподающая и топливовозвратная магистраль (топливные трубки и шланги); 5) воздухоочиститель; 6) впускной трубопровод; 7) карбюратор и некоторые другие детали.

Топливо из топливного бака по топливоподающей магистрали насосом подаётся в карбюратор, где смешивается с потоком воздуха, поступающим через воздухоочиститель. Процесс смешивания называется карбюрацией. Образовавшаяся топливовоздушная смесь через впускной трубопровод и открытые впускные клапаны на такте впуска попадает в цилиндры. В течение такта впуска и сжатия происходит дальнейшая гомогенизация горючей смеси и её нагрев. В конце такта сжатия смесь воспламеняется от электрической искры. Рост температуры в цилиндре приводит к расширению горючих газов и повышению давления. Под действием давления газов поршень в цилиндре движется вниз и через шатун вращает коленчатый вал. При такте выпуска отработавшие газы через открытые выпускные клапаны и систему выпуска удаляются в атмосферу.

Топливный бак изготавливается из листовой освинцованной стали или специальной пластмассы и может иметь внутренние перегородки, ограничивающие перемещение топлива внутри бака при движении автомобиля. Бак снабжается заливной горловиной, отверстием для спуска отстоя и системой улавливания паров бензина. В заливную горловину встраивают воздухоотводящую трубку. Горловина закрывается крышкой, в которой может присутствовать впускной клапан, необходимый для впуска в бак воздуха, по мере расходования топлива. Клапан открывается при падении давления в баке ниже атмосферного на 0,01 – 0,03 кгс/см2. В баке монтируется топливоприёмник с сетчатым фильтром и датчиком уровня топлива. Топливоприёмник имеет две трубки – штуцера, которые соединяются с топливоподводящей и возвратной магистралью. В разрезе возвратной магистрали устанавливают обратный клапан, пропускающий топливо только в одном направлении. В топливных баках автомобилей с инжекторными системами питания, могут устанавливаться электрические топливные насосы и регуляторы давления. Топливо забирается из бака под действием разрежения, создаваемого топливным насосом и подаётся к карбюратору. Неизрасходованное двигателем топливо по возвратной магистрали сливается обратно в бак.

Система улавливания паров бензина имеет бачок сепаратора, который двумя трубками соединяется со штуцерами, расположенными по обе стороны топливного бака в его верхней части, а третьей трубкой – с угольным адсорбером, размещаемым, как правило, в моторном отсеке автомобиля. Пары топлива из бака конденсируются в сепараторе и возвращаются обратно в бак, а их избыточная часть поступает в адсорбер.