Принцип действия, классификация и общее устройство двигателей внутреннего сгорания - Тракторы - учебное пособие

Двигатель — машина, превращающая какой-либо вид энергии (например, внутренней, электрической) в механическую энергию.
Так, в тепловых двигателях внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Принцип работы таких двигателей основан на свойстве нагреваемых газов расширяться.
Тепловые двигатели бывают внешнего сгорания (паровая машина, паровая и газовая турбины), внутреннего сгорания (поршневые двигатели) и реактивные.
На тракторах устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых смесь топлива с воздухом сгорает внутри цилиндров.
В зависимости от способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси (смеси паров топлива с воздухом и с отработавшими газами) поршневые двигатели внутреннего сгорания делятся на карбюраторные и дизели.
В карбюраторных двигателях горючая смесь (смесь паров топ¬лива с воздухом) образуется вне цилиндра в карбюраторе и воспла¬меняется в цилиндре электрической искрой.
В дизелях распыленное топливо смешивается с воздухом в ци¬линдре и самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха.
Карбюраторные двигатели и дизели бывают одноцилиндровые и многоцилиндровые.
Для непрерывной работы карбюраторного двигателя и дизеля в их цилиндрах должны периодически совершаться процессы:
1)  впуск — наполнение цилиндра горючей смесью (у карбюра¬торного двигателя) или воздухом (у дизеля);
2)  сжатие и воспламенение рабочей смеси (у карбюраторного двигателя) или сжатие воздуха, впрыск и самовоспламенение топлива (у дизеля);
3)  сгорание рабочей смеси;
4)  расширение газов;
5)  выпуск — очистка цилиндра от отработавших газов.
Совокупность этих процессов, последовательно протекающих в
цилиндре, называется рабочим циклом.
Рабочий цикл в двигателях внутреннего сгорания может совершаться за четыре или два хода поршня.
Двигатели внутреннего сгорания, в которых рабочий цикл совер¬шается за четыре хода поршня (дза оборота коленчатого вала), называются четырехтактными, а в кото¬рых за два хода пор¬шня (один оборот коленчатого вала) — двухтактными.

Рис. 4. Одноцилиндровый четырехтактный карбюраторный двигатель:
I  — поддон картера; 2 — колен¬чатый вал; 3 — распределительные шестерни; 4—картер; 5 — рас¬пределительный вал; 6 — шатун; 7— толкатель; 8 — поршень; 9 — поршневой палец; 10—цилиндр;
II  — штанга; 12—впускной кла¬пан; 13 — головка цилиндра; 14—1 крышка головки; 15 — коромысла; 16 — пружины клапанов; 17—свеча зажигания; 18 — выпускной клапан; 19 —• рубашка охлаждения цилиндра; 20 — гильза цилиндра; 21 — маховик.

Тактом называется часть рабоче¬го цикла двигателя, происходящая за один ход поршня.
Одноцилиндровый четырехтактный карбюраторный двигатель (рис. 4) состоит из цилиндра 10 с гильзой 20, закрытых сверху головкой 13 с крышкой 14. Внутри цилиндра может перемещаться поршень 8, соединенный шарнирно пальцем 9 с шатуном 6. Нижняя часть шатуна соединена с коленчатым ва¬лом 2, вращающимся в картере 4. Картер снизу закрыт поддоном 1. В головку цилиндра ввернута свеча 17 зажигания, которая создает электрическую искру для воспламенения рабочей смеси.
У одноцилиндрового четырехтактного дизеля нет карбюратора и свечи зажигания, а имеется форсунка, через которую в конце такта сжатия п камеру сгорания впрыскивается распыленное топливо.
Во время работы двигателя поршень движется в цилиндре вверх и вниз (иозвратно-ноступательно). Ниже даны основные определения.
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — положение поршня 3 (рис. 5), наиболее удаленного от оси коленчатого вала 1.
Нижняя мертвая точка (IIMT) —положение поршня, наименее удаленного от оси коленчатого вала.
Ход s поршня — расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ или обратно.
Объем Vc камеры сгорания, или ка¬меры сжатия,— пространство над порш¬нем, находящимся в ВМТ.

Рис. 5. Положения поршня:
1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень.

Рабочий объем Vh цилиндра — объем, освобождаемый поршнем, движу-щимся от ВМТ к НМТ.
Литраж Vл двигателя — сумма рабочих объемов всех цилиндров двига¬теля, выраженная в литрах.
Полный объем Va цилиндра — объем цилиндра над поршнем, находя¬щимся в НМТ. Полный объем цилиндра равен сумме объемов рабочего и ка¬меры сгорания.
Степень сжатия е — число, показывающее, во сколько раз уменьшится объем рабочей смеси или воздуха, сжа¬ых в цилиндре:
e =  Va/Vс = (Vh+Vc)/Vc.
У дизелей е=14...20, у карбюраторных двигателей — 6...10.
Горючая смесь (у карбюраторных двигателей) или воздух (у дизелей) поступает в цилиндр по впускному каналу через отверстие, открываемое впускным клапаном 12 (см. рис. 4), Под действием повышенного давления газов сгорающей смеси поршень опускается и через шатун повертывает коленчатый вал на угол 180°, Когда поршень переместится в НМТ, коленчатый вал не останавливается, а вращается по инерции, обеспечивая вспомогательные процессы: выпуск, впуск и сжатие. Во время названных процессов движение от коленчатого вала передается через шатун и палец к поршню. При этом вращательное движение коленчатого вала преобразуется в прямолинейное движение поршня. Инерцию коленчатого вала увеличивает прикрепленный к нему маховик 21. Его кинетическая энергия во время расширения газов возрастает, а при вспомогатель¬ных процессах расходуется на движение коленчатого вала, шатуна и поршня.
Цилиндр, его головка, картер, поршень, палец, шатун, коленчатый вал и маховик образуют кривошипно-шатунный механизм, пре¬образующий прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Отработавшие газы (продукты сгорания), совершившие работу по перемещению поршня в цилиндре, выходят по выпускному кана¬лу в атмосферу после открытия выпускного клапана 18.
Впускной и выпускной клапаны удерживаются в закрытом положении пружинами 16 и открываются под воздействием коромысел 15, которые получают движение через толкатели 7 и штанги 11 от кулачков распределительного вала 5. Вращение к этому валу пере¬дается от коленчатого вала 2 шестернями 3.
Впускной и выпускной клапаны, их пружины с деталями крепле¬ния, коромысла, штанги, толкатели, распределительные шестерни и пал образуют распределительный механизм. Он обеспечивает свое¬временный впуск в цилиндр воздуха (у дизелей) или горючей смеси (у карбюраторных двигателей) и выпуск из цилиндра отработав¬ших газов.
Кроме указанных механизмов, двигатель имеет следующие си¬стемы: питания, охлаждения, смазки, зажигания (только у карбю¬раторных) и пуска.
Система питания обеспечивает двигатель топливом и воздухом в необходимом соотношении и количестве и удаляет oTpa6ofaBuiHe газы в атмосферу.
Система охлаждения отводит излишнюю теплоту от деталей дви¬гателя и поддерживает его нормальную температуру.
Система смазки подает к трущимся деталям двигателя масло, которое уменьшает трение, износ, охлаждает детали и удаляет с них продукты износа и загрязнения.
Система пуска осуществляет пуск двигателя.
У большинства дизелей имеется декомпрессионный механизм, облегчающий прокручивание коленчатого вала при пуске холодного дизеля и его техническом обслуживании.